Wie Eisencarbone Energie aus Sonnenlicht speichern - und warum sie das nicht besser können
Kostengünstige Photosensibilisatoren könnten die Solarenergie und die chemische Produktion effizienter machen
Photosensibilisatoren sind Moleküle, die Sonnenlicht absorbieren und diese Energie weitergeben, um Elektrizität zu erzeugen oder chemische Reaktionen anzutreiben. Sie basieren in der Regel auf seltenen, teuren Metallen; die Entdeckung, dass Eisencarbenen mit einfachem, altem Eisen im Kern auch dies können, hat in den letzten Jahren eine Welle der Forschung ausgelöst. Doch während immer effizientere Eisen-Carbone entdeckt werden, müssen die Wissenschaftler genau verstehen, wie diese Moleküle auf atomarer Ebene funktionieren, um sie für Spitzenleistungen zu entwickeln.
Experimente am SLAC zeigten, dass ein preiswertes Photosensibilisator-Molekül, Eisen-Carben, auf zwei konkurrierende Arten reagieren kann, wenn es von Licht getroffen wird. Nur einer dieser Wege (rechts) erlaubt es den Elektronen, in Geräte oder chemische Reaktionen zu fließen, wo sie benötigt werden. Die Moleküle nahmen diesen energieerzeugenden Weg in etwa 60% der Zeit.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Jetzt haben Forscher einen Röntgenlaser im nationalen Beschleunigerlabor SLAC des Energieministeriums eingesetzt, um zu beobachten, was passiert, wenn Licht auf ein Eisenkarbin trifft. Sie entdeckten, dass es auf zwei konkurrierende Arten reagieren kann, von denen nur eine den Elektronen erlaubt, in die Geräte oder Reaktionen zu fließen, wo sie benötigt werden. In diesem Fall nahm das Molekül in etwa 60 % der Fälle den energieerzeugenden Weg.
In einer Solarzelle haftet ein Eisencarbene an der Halbleiterschicht auf der Oberfläche der Zelle, wobei sein Eisenatom nach oben ragt. Das Sonnenlicht trifft auf das Eisenatom und setzt Elektronen frei, die in die Carbene-Anhänge fließen. Wenn sie lange genug auf diesen Befestigungen bleiben - 10 Billionstel Sekunden oder mehr - können sie sich dann in die Solarzelle bewegen und ihre Effizienz erhöhen. In der Chemie hilft der Energieschub, den Photosensibilisatoren liefern, chemische Reaktionen voranzutreiben, erfordert aber noch längere Verweilzeiten der Elektronen auf den Carben-Anhängen.
Um herauszufinden, wie dies funktioniert, untersuchte ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des Stanford PULSE Institute am SLAC Proben von Eisenkarbone mit Röntgenlaserpulsen aus der Linac Coherent Light Source (LCLS) des Labors. Sie haben gleichzeitig zwei separate Signale gemessen, die Aufschluss darüber geben, wie sich die Atomkerne des Moleküls bewegen und wie die Elektronen in die Eisen-Carben-Bindungen hinein und aus ihnen heraus wandern.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Elektronen in den Carbene-Anhängen lange genug gespeichert waren, um in etwa 60% der Zeit nützliche Arbeit zu leisten; in der restlichen Zeit kehrten sie zu früh zum Eisenatom zurück und erreichten nichts.
Kelly Gaffney von PULSE sagte, das langfristige Ziel dieser Forschung sei es, nahezu 100 Prozent der Elektronen dazu zu bringen, viel länger auf den Carbenen zu bleiben, damit die Energie des Lichts zum Antrieb chemischer Reaktionen genutzt werden kann. Um dies zu erreichen, müssen die Wissenschaftler Konstruktionsprinzipien für die Anpassung von Eisen-Carben-Molekülen finden, um bestimmte Aufgaben mit maximaler Effizienz zu erfüllen.
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