Onderzoek onthult perfecte basis voor organische halfgeleiders in zonnecellen en smartwatches

header foto: prof. dr. Wouter Maes & dr. Jochen Vanderspikken

Geconjugeerde polymeren zijn (half)geleidende materialen die bestaan uit lange ketens van dezelfde bouwstenen. Simpel gezegd kun je de best presterende geconjugeerde polymeren vergelijken met een keten van rode en blauwe ballen die aan elkaar zijn gekoppeld tot een lange ketting waar signalen doorheen worden verzonden. Hierdoor kunnen polymeren worden gebruikt als geleiders in toepassingen zoals zonnecellen, sensoren of smartwatches. Omdat ze bestaan uit basiselementen zoals koolstof, zuurstof en waterstof, zijn ze veel duurzamer dan de anorganische halfgeleiders die gemaakt zijn van veel zeldzamere grondstoffen die momenteel worden gebruikt.

"Jarenlang werd aangenomen dat wanneer je de rode en blauwe bolletjes combineerde om geconjugeerde polymeren te maken, ze elkaar mooi afwisselden in de keten, waarbij een blauwe bouwsteen zich consequent aan een rode hechtte," vertelt onderzoeker Dr. Jochen Vanderspikken van EnergyVille/UHasselt. "Ons onderzoek, in samenwerking met imec, KU Leuven, VUB, UMons, University of Birmingham en Stanford University, toont nu voor het eerst aan dat dit niet altijd het geval is. Binnen polymeren is het vaak zo dat bouwstenen van dezelfde kleur aan elkaar hechten, waardoor de polymeren minder effectief werken."

foto: polymeren waarin bouwstenen van dezelfde kleur met elkaar verbonden zijn

Defecten gevisualiseerd

Dit is de eerste keer dat deze defecten effectief worden gevisualiseerd en een numerieke waarde krijgen. De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van een moleculaire scanning tunneling microscoop die ongekende inzichten verschafte in de structuur van polymere organische halfgeleiders. Jochen Vanderspikken bracht hiervoor zeven maanden door aan de prestigieuze Amerikaanse universiteit Stanford, met steun van FWO en Rotary Genk-Staelen.

"Met dit onderzoek kunnen we aantonen hoe belangrijk het is om naar de zuivere chemische structuur van geconjugeerde polymeren te kijken, iets wat te lang genegeerd is door het vakgebied. We laten nu zien dat deze defecten bestaan en een rol spelen in hoe efficiënt de polymeren werken. Dit is een belangrijke stap in de richting van een breder gebruik van geconjugeerde polymeren," zegt Prof. Dr. Wouter Maes.

foto: defecten in polymeren (rood en blauw gearceerd) zijn voor het eerst gevisualiseerd

Perfecte basis

Naast protocollen voor het opsporen van defecten, werkten de onderzoekers ook aan een stappenplan om deze defecten in de toekomst te voorkomen. "Eenvoudig gezegd ontdekten we dat als je een blauwe bouwsteen in tweeën splitst en aan de buitenkant van een rood molecuul plaatst, je altijd een mooie keten van afwisselend rode en blauwe bouwstenen als basis voor je polymeer hebt," zegt Dr. Jochen Vanderspikken. "Met dit stappenplan kunnen onderzoekers nu wereldwijd werken aan het maken van geconjugeerde polymeren die identiek aan elkaar zijn, omdat reproduceerbaarheid moeilijk was door de defecten die ontstonden. Eindelijk is de basis van het materiaal nu solide."

photo: het stappenplan van de onderzoekers voor de perfecte basis voor polymeren

Zonnecellen en sensoren

De onderzoekers willen deze perfecte basis voor geconjugeerde polymeren gebruiken om de materialen op te schalen en te gebruiken in bredere toepassingen, zoals flexibele zonnecellen, detectoren en sensoren voor verschillende medische toepassingen.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Advanced Functional Materials. Je kunt het volledige onderzoek hier lezen.

Meer info

dr. Jochen Vanderspikken: 0478 33 23 61