Hiilipohjaiset radikaalit ovat tulevaisuuden aurinkokennoteknologiaa

Aalto-yliopiston, Cambridgen yliopiston ja muiden kansainvälisten kumppaneiden yhteistutkimuksessa on osoitettu, että hiilipohjaisista orgaanisista radikaaleista voidaan valmistaa uudenlaisia puolijohteita, jotka muuttavat kaiken absorboidun valon sähkövarauksiksi. 

Orgaaniset radikaalit – eli hiilipohjaiset molekyylit, joissa on pariton elektroni – voivat toimia puolijohteina sellaisenaan, ilman että sähkövarausten muodostuminen ja johtavuus vaatisi kahden eri materiaalin tarkkaa rakennetta, kuten tavanomaisissa orgaanisissa aurinkokennoissa.

Juuri tuo yksinäinen elektroni tekee radikaaleista erityisen hyviä sähkövarauksen kuljettajia. Kun radikaaleja sisältävä ohutkalvo altistetaan valolle, syntyy varauksia, jotka erottuvat toisistaan täydellisellä, 100 prosentin hyötysuhteella – toisin sanoen kaikki absorboitu valo voidaan muuntaa sähköiseksi varaukseksi.

Elektroniikkamarkkinoita hallitseva pii on erinomainen puolijohde, mutta sillä on myös selkeitä haittoja: pii on raskasta, jäykkää ja haurasta. Perinteiset piipohjaiset aurinkokennot painavat jopa 20 kiloa. Pii on myös läpinäkymätöntä, joten sitä on vaikeaa integroida visuaalisena elementtinä esimerkiksi ikkunoihin, puettavaan elektroniikkaan tai biologiseen ympäristöön. 

Tulokset avaavat kokonaan uuden polun ohutkalvoteknologialle ja kevyille aurinkokennoille: niitä voidaan valmistaa joustavina ja värillisinä esimerkiksi ikkunoihin tai puettavaan elektroniikkaan. 

“Teknologiasta saadaan energiatehokasta, kun sähkövarauksia voidaan tuottaa ilman energiahävikkiä radikaalipohjaisten puolijohteiden avulla”, kertoo akatemiatutkija Petri Murto. Murto siirtyi Aaltoon Cambridgen yliopistosta ja perusti oman ryhmän akatemiatutkijana kemian ja materiaalitieteen laitoksella syksyllä 2024.

Orgaaniset puolijohteet voidaan valmistaa vain 100 nanometrin kerroksina, jolloin koko kenno voi painaa pinta-alan mukaan vain satoja grammoja. Materiaalia voidaan taivuttaa ja muokata, sekä valmistaa eri väreissä esimerkiksi ikkunoihin integroitavia aurinkopaneeleja varten. Orgaanisen ohutkalvon tuotanto on myös helposti skaalattavissa ja radikaalimateriaalit tuovat uuden lähestymistavan kennojen energiatehokkuuden parantamiseksi.

”Tutkimus on jatkoa aiemmalle yhteistyölle Cambridgen yliopiston kanssa, kun kehitimme materiaaleja LED-sovelluksiin ja huomasimme, että tietynlaiset radikaalit käyttäytyvät odottamattomalla tavalla ollessaan läheisessä kontaktissa keskenään. Tämä ilmiö osoittautui radikaalielektronien siirtymiseksi molekyylistä toiseen sen sijaan, että ne olisivat sitoutuneina, kuten aiemmin luultiin. Uusin tutkimuksemme hyödyntää juuri tätä ilmiötä,” Murto selittää.

Petri Murto kehitti tutkimuksessa käytetyt synteettiset orgaaniset molekyylit yhteistyössä Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulun ja Cambridgen yliopiston kanssa. Nämä materiaalit muodostivat perustan, jolla koe voitiin toteuttaa ja jolla radikaalien erityisominaisuudet pystyttiin osoittamaan käytännössä.

Tutkimus on äskettäin julkaistu arvostetussa Nature Materials -lehdessä.