Spektroskopowe i termodynamiczne badania chromoforów

Bartosz Bursa
Politechnika Poznańska
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Spektroskopowe i termodynamiczne badania chromoforów
porfirynopodobnych z kropkami kwantowymi oraz fulerenami dla
potencjalnych zastosowań w fotowoltaice
Kiedy giganci przemysłu tacy jak General Electric, DuPont, Sharp oraz firmy
inwestycyjne takie Goldman Sash dokonują multi-miliardowych inwestycji w czystą
technologię (ang. clean tech), przesłanie jest jasne: „Po rewolucji informatycznej i hossie
internetowej, nadchodzi następna rewolucja w przemyśle i inwestycjach – rozwój czystych
technologii”
Energia słoneczna to prawdopodobnie najlepsza wśród czystych technologii. Według
danych wartość światowego rynku energii słonecznej rośnie około 30-50% rocznie. W roku
2050-tym około 30 % produkowanej energii ma pochodzić z konwersji fotowoltaicznej.
Wykonywana przeze mnie praca doktorska dotyczy badań nad zastosowaniem chromoforów
porfirynopodobnych z nanostrukturami półprzewodnikowymi oraz fulerenami jako wysoce
wydajnych układów donorowo-akceptorowych w odnawialnych źródłach energii typu DSSC
(z ang. Dey Sentized Sollar Cell).
Ogniwa DSSC należą do grupy cienkowarstwowych
ogniw słonecznych stanowiących odpowiednik naturalnych systemów fotosyntetycznych.
Różnica polega na tym, że stosowane w nich układy donorowo-akceptorowe, energię światła
przekształcają w prąd elektryczny a nie w energię chemiczną jak ma to miejsce w procesie
fotosyntezy. Z punktu widzenia aplikacyjnego mają szereg atrakcyjnych właściwości:
- są elastyczne i półprzezroczyste;
- często oparte są na tanich materiałach;
-ich stosunkowo prosta budowa umożliwia wykorzystanie w procesie masowej
produkcji powszechnie stosowanej chociażby w poligrafii techniki roll and roll.
Jednym z głównych mankamentów tego typu ogniw jest jednak ich stosunkowa niska
efektywność około 25 % w stosunku do ogniw opartych na krzemie oraz fotodegradalność
stosowanych w nich chromoforów.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Produkcja nowoczesnych materiałów dla elektroniki molekularnej, w szczególności dla
organicznych komórek fotowoltaicznych wymaga poszukiwania układów molekularnych
spełniających pewne wymagania. Pośród nich można wymienić chociażby silną absorpcję
światła i odpowiednie czasy życia stanów wzbudzonych. Informacje te można uzyskać przy
pomocy zaawansowanych metod spektroskopowych wpieranych dodatkowymi badaniami. W
realizowanej w Zakładzie Fizyki Molekularnej Politechniki Poznańskiej pracy doktorskiej pt.
Spektroskopowe i termodynamiczne badania chromoforów porfirynopodobnych z kropkami
kwantowymi oraz fulerenami dla potencjalnych zastosowań w fotowoltaice ujęte zostaną
wyniki dotyczące procesów zachodzących w wybranych organiczno-półprzewodnikowych
układach donorowo-akceptorowych na poziomie molekularnym z wykorzystaniem technik
spektroskopowych w zakresie UV-Vis-NIR. Określone w pracy parametry fizyczne i
materiałowe (np. właściwości elektronowe i oscylacyjne, współczynnik absorpcji, zdolność
materiału do szybkiej separacji ładunku i jego powolnej rekombinacji oraz transferu elektronu
w szerokim zakresie spektralnym i temperaturowym) przyczynią się do pełniejszego
zrozumienia zjawisk zachodzących w projektowanych ogniwach fotowoltaicznych ważnych
dla procesów jak i mechanizmów odpowiedzialnych za konwersję energii świetlnej na inne
formy energii. Co w przyszłości pozwoli na projektowanie wysoce wydajnych organicznych
układów fotowoltaicznych i dostarczy podstawowych informacji które być może pomogą w
znalezieniu rozwiązań kwestii o fundamentalnym znaczeniu dla organicznej fotowoltaiki jak
chociażby:
- ograniczenie rekombinacji elektronów i dziur;
- efektywności transportu ładunku w fotoaktywnych heterozłączach;
- rola oddziaływania elektron – fonon w tworzeniu stanów wzbudzonych;
- i wiele innych.
Korzyści z nowej generacji komórek fotowoltaicznych są niezaprzeczalne – mogłyby
one być produkowane niskim kosztem, ponadto materiały organiczne są łatwo dostępne i
stosunkowo prosto można je modyfikować wpływając na ich właściwości.
Pomijając potencjalne praktyczne zastosowanie uzyskanych wyników, sam cel
poznawczy nie może być zaniedbywalny, ponieważ pomimo postępującej komercjalizacji
większości dziedzin nauki, badania podstawowe pozostają niezwykle ważną jej częścią, gdyż
to właśnie w dziedzinie badań podstawowych możliwe jest zaobserwowanie nowych zjawisk i
efektów, które będzie można wykorzystać w sposób dotąd nieznany.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego