Fosforen nanoribbons maken hype waar in eerste demonstratie

Onderzoekers hebben fosforeen-nanoribbons in nieuwe soorten zonnecellen verwerkt, waardoor hun efficiëntie drastisch is verbeterd.

Fosforen nanoribbons (PNR’s) zijn lintachtige strengen van het 2D-materiaal fosfor, die, net als grafeen, zijn gemaakt van enkelvoudige atoom-dikke lagen atomen. PNR’s werden voor het eerst geproduceerd in 2019 en honderden theoretische studies hebben voorspeld hoe hun eigenschappen allerlei soorten apparaten zouden kunnen verbeteren, waaronder batterijen, biomedische sensoren en kwantumcomputers.

Geen van deze voorspelde opwindende eigenschappen is tot nu toe echter aangetoond in echte apparaten. Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van Imperial College London en University College London PNR’s gebruikt om de efficiëntie van een apparaat – een nieuw soort zonnecel – aanzienlijk te verbeteren, wat aantoont dat het ‘wondermateriaal’ inderdaad kan voldoen aan zijn hype.

De details worden vandaag gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

Hoofdonderzoeker Dr. Thomas Macdonald, van de afdeling Scheikunde en het Centrum voor Verwerkbare Elektronica van Imperial, zei: “Honderden theoretische studies hebben de opwindende eigenschappen van PNR’s voorzien, maar er zijn nog geen gepubliceerde rapporten die deze eigenschappen of hun vertaling in verbeterde apparaatprestaties.

“We zijn daarom verheugd om niet alleen het eerste experimentele bewijs te leveren van PNR’s als een veelbelovende route voor hoogwaardige zonnecellen, maar ook om de veelzijdigheid van dit nieuwe nanomateriaal te laten zien voor gebruik in opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.”

Het team verwerkte de PNR’s in zonnecellen gemaakt van perovskieten – een nieuwe klasse van materialen die veelbelovend zijn, aangezien wetenschappers gemakkelijk kunnen veranderen hoe ze omgaan met licht voor een reeks toepassingen.

In tegenstelling tot traditionele onbuigzame zonnecellen op basis van silicium, kunnen perovskiet-zonnecellen worden gemaakt van vloeibare oplossingen, wat het printen in dunne, flexibele films tegen lage kosten mogelijk maakt. Nieuwe nanomaterialen, zoals PNR’s, kunnen eenvoudig worden afgedrukt als een extra laag om de functionaliteit en efficiëntie van het apparaat te verbeteren.

Door PNR’s op te nemen, kon het team perovskiet-zonnecellen produceren met een efficiëntie van meer dan 21 procent, vergelijkbaar met traditionele siliciumzonnecellen. Ze waren ook in staat om experimenteel te verifiëren hoe PNR’s deze verbeterde efficiëntie kunnen bereiken.

Ze toonden aan dat PNR’s de ‘gatmobiliteit’ verbeteren. ‘Gaten’ zijn de tegenovergestelde partner van elektronen in elektrisch transport, dus het verbeteren van hun mobiliteit (een maat voor de snelheid waarmee ze door het materiaal bewegen) helpt elektrische stroom efficiënter tussen de lagen van het apparaat te bewegen.

Deze experimentele validatie van de kracht van PNR’s, zegt het team, zal onderzoekers helpen nieuwe ontwerpregels te creëren voor opto-elektronische apparaten – apparaten die licht uitzenden of detecteren.

Dr. Macdonald zei: “Onze resultaten laten zien dat de functionele elektronische eigenschappen van PNR’s zich inderdaad vertalen in verbeterde functionaliteit. Dit benadrukt het echte belang en het nut van dit nieuw ontdekte nanomateriaal en zet de maatstaf voor op PNR-gebaseerde opto-elektronische apparaten.”

Verdere studies met behulp van PNR’s in apparaten zullen onderzoekers in staat stellen meer mechanismen te ontdekken voor hoe ze de prestaties kunnen verbeteren. Het team zal ook onderzoeken hoe het aanpassen van het oppervlak van de nanoribbons de unieke elektronische eigenschappen van de materialen kan verbeteren.