Ученые обнаружили, что электроны могут перемещаться в материалах для солнечных панелей со скоростью, близкой к предельной в природе. Это открытие бросает вызов устоявшимся представлениям о работе систем солнечной энергии и может открыть новые пути для создания технологий, которые более эффективно улавливают солнечный свет и преобразуют его в электричество.
В ходе лабораторных экспериментов исследователи из Кембриджского университета отслеживали события длительностью всего 18 фемтосекунд – это меньше, чем двадцать квадриллионных долей секунды. За это невероятно короткое время они наблюдали, как электрический заряд разделяется в ходе всего одной молекулярной вибрации. «Мы намеренно создали систему, которая, согласно общепринятой теории, не должна была переносить заряд так быстро, – говорит доктор Пратюш Гош, ведущий автор исследования. – Вместо того чтобы дрейфовать случайным образом, электрон выстреливается одним когерентным рывком. Вибрация действует как молекулярная катапульта, не просто сопровождая процесс, а активно управляя им».
Фемтосекунда – это одна квадриллионная доля секунды. Для сравнения, в одной секунде содержится примерно в восемь раз больше фемтосекунд, чем прошло часов с момента возникновения Вселенной. На этом микроскопическом временном отрезке атомы внутри молекул находятся в постоянном колебании. Исследователи увидели, что электроны перемещаются между материалами практически с той же скоростью, что и сами атомы. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, ставит под сомнение давние проектные предположения в науке о солнечной энергии. До сих пор считалось, что для сверхбыстрой передачи заряда необходимы большая разница в энергии между материалами и сильное электронное взаимодействие – условия, которые снижают общую эффективность.
Когда свет попадает на многие углеродные материалы, он создает плотно связанный энергетический пакет, называемый экситоном – пару из электрона и «дырки». Чтобы такие устройства, как солнечные элементы или фотодетекторы, работали эффективно, эта пара должна быстро разделиться на свободные заряды. Чем быстрее это происходит, тем меньше энергии теряется. Чтобы проверить, можно ли обойти существующие ограничения, ученые намеренно создали систему с заведомо плохими характеристиками: полимер-донор был помещен рядом с акцептором почти без разницы в энергии и со слабым взаимодействием. Вопреки ожиданиям, электрон пересек границу всего за 18 фемтосекунд – быстрее, чем во многих ранее изученных системах.
С помощью сверхбыстрых лазерных экспериментов удалось раскрыть механизм этого неожиданного результата. Когда полимер поглощает свет, он начинает вибрировать с определенными высокочастотными паттернами. Эти колебания смешивают электронные состояния и фактически выталкивают электрон через границу, создавая направленное, баллистическое движение вместо медленной и случайной диффузии. «Наши результаты показывают, что предельная скорость разделения заряда определяется не только статической электронной структурой, – заключает доктор Гош. – Она зависит от того, как вибрируют молекулы. Это дает нам новый принцип проектирования. Вместо того чтобы бороться с молекулярными колебаниями, мы можем научиться использовать правильные из них».
Это открытие предлагает новую стратегию для разработки более эффективных светособирающих технологий. Сверхбыстрое разделение зарядов имеет фундаментальное значение для органических солнечных элементов, фотодетекторов и фотокаталитических устройств, способных производить чистое водородное топливо. Подобные процессы также происходят в природе во время фотосинтеза. Теперь, вместо подавления молекулярных движений, ученые могут проектировать материалы, которые используют их, превращая вибрации из ограничения в полезный инструмент.