Med en amerikansk fri-elektron-laser har en international forskergruppe med dansk deltagelse lavet de første optagelser af, hvordan elektroner springer mellem forskellige energiniveauer i et jernkompleks.
»Den nye teknik, vi har udviklet, vil blandt andet være nyttig til at forstå og forbedre virkemåden af solceller,« siger Tim Brandt van Driel fra DTU Fysik. Han har netop lagt sidste hånd et ph.d.-projekt, der har relation til det nye eksperiment.
Sammen med postdoc Kasper Skov Kjær og professor Martin Meedom Nielsen er han medforfatter til en artikel i Nature. Forskere fra Kelly Gaffneys forskningsgruppe ved SLAC National Accelerator Facility ved Stanford University i Californien er også blandt artiklens forfattere.
I artiklen beskriver forskerne, hvordan det med verdens kraftigste fri-elektron-laser er muligt at studere spindynamikken i jernkomplekser med en tidsopløsning, der skal måles i femtosekunder. Det er henved 1.000 gange bedre end det, som tidligere har været muligt.
Teknikken har gjort det muligt præcist at se, hvordan elektroner henfalder i et jernkompleks, som bringes i en eksiteret tilstand. Det er en relevant problematik, da forskerne drømmer om at kunne udnytte jernkomplekser i farvestofsolceller, der er et alternativ til siliciumsolceller.
Farvestofsolceller har et potentiale til at kunne fremstilles billigt, men de mest effektive af disse solceller, som også kaldes Grätzel-solceller efter den schweiziske forsker Michael Grätzel, har den ulempe, at de kræver brug af ruthenium, som er meget dyrt.
Læs også: Solcelleforsker modtager prestigepris på Aarhus Universitet
Det har været forsøgt at bruge jernkomplekser i stedet for ruthenium, men uden større held. I den nye artikel redegør forskerne nu præcist for, hvorfor jernkomplekser fungerer dårligere end ruthenium.
Med den kraftige fri-elektron-laser, som udsender pulser med en varighed omkring 100 femtosekunder, har forskerne kunnet fastlægge, hvordan elektroner henfalder mellem forskellige energiniveauer, når jernkomplekset ved belysning bringes i en eksiteret tilstand med højere energi.
De har kunnet påvise, at dette henfald sker i flere spring, og de har bestemt, hvor længe en elektron befinder sig i det mellemliggende energiniveau. Det er af betydning, når strømmen skal trækkes ud af en solcelle.
»Man har tidligere haft en formodning om, hvad der sker, men det har ikke været forstået i alle detaljer,« fortæller Tim Brandt van Driel.
Læs også: Danmark tilslutter sig aftale om fri-elektron laser i Hamburg
Hovedresultatet af det aktuelle forskningsprojekt er, at der nu foreligger en generel anvendelig metode, som kan bruges til at undersøge og forstå andre jernkomplekser og lignende forbindelser.
»Det er en af forudsætningerne for, at vi muligvis kan erstatte ruthenium med billigere materialer i Grätzel-solceller,« siger Tim Brandt van Driel.
Det er nemlig ikke udelukket, at der kan findes andre jernkomplekser, hvor elektrondynamikken er bedre velegnet til solceller.
På det mere generelle niveau viser den nye artikel, at det med fri-elektron-laser er muligt at fremstille molekylære film af kemiske reaktioner. Det er interessant i mange andre sammenhænge end solceller.
Om et par år står en europæisk fri-elektron-laser, som vil overgå den amerikanske udgave, klar i Hamborg. Det betyder, at DTU-forskere snart kan fortsætte deres forskning meget tættere på hjemmebasen.
