Квантовое явление управляет органическими солнечными элементами
Исследователи из Университета Линчёпинга обнаружили квантовое явление, которое влияет на образование свободных зарядов в органических солнечных элементах, 26 марта сообщает Nature Communications.
Докторант Цинчжэнь Бянь получил неожиданные результаты, когда организовал эксперимент по оптимизации материала солнечных элементов, состоящего из двух светопоглощающих полимеров и материала-акцептора.
«Если мы сможем правильно понять, что происходит, то сможем повысить эффективность», — говорит профессор отдела биомолекулярной и органической электроники Олле Инганас.
Олле Инганас попросил повторить эксперимент, чтобы исключить возможность ошибок измерения. Раз за разом в проводимых экспериментах происходило одно и то же: крошечная периодическая форма волны продолжительностью в несколько сотен фемтосекунд появлялась в сигнатуре оптического поглощения в виде фототока, образовавшегося в материале солнечного элемента. Что же происходило?
Немного предыстории: когда свет в форме фотонов поглощается в полупроводящем полимере, образуется экситон. Экситоны являются связанными электронно-дырочными парами в полимере. Электроны не высвобождаются, и перенос зарядов фототока не возникает. Когда электронодонорный полимер смешивается с молекулой, которая принимает электроны, то электроны могут высвобождаться. Тогда электронам нужно всего лишь сделать небольшой скачок, чтобы стать свободным, а потери энергии сведены к минимуму. Дыры и электроны переносят фототок, и солнечный элемент начинает вырабатывать электричество.
Это было известно давно. Однако замечательная форма волны появилась в эксперименте Цинчжэнь Бянь.
«Единственное возможное объяснение заключается в том, что возникает согласованность между возбужденной системой и разделенными зарядами. Мы попросили квантовых химиков разобраться в этом, и результаты, которые мы получаем в повторных экспериментах, хорошо согласуются с их расчетами», — говорит Олле Инганас.
В квантовом масштабе атомы вибрируют и вибрируют быстрее при нагревании. Именно эти колебания так или иначе взаимодействуют друг с другом и с возбужденной системой электронов: фазы волн следуют друг за другом, и возникает состояние когерентности.
«Согласованность помогает создать заряды, которые дают фототок, который происходит при комнатной температуре. Но мы пока не знаем, почему и как», — уточнил он.
Та же квантовая когерентность обнаружена в биологическом мире.
«Среди исследователей биофизики идут интенсивные дебаты о том, научились ли системы, использующие фотосинтез, использовать когерентность или нет. Я считаю маловероятным, что миллионы лет эволюции не привели к тому, что природный мир использовал этот феномен», — отметил Олле Инганас.
«Если бы мы лучше поняли, как образуются носители заряда и как этот процесс контролируется, мы должны быть в состоянии использовать его для повышения эффективности органических солнечных элементов. Вибрации зависят от структуры молекулы, и если мы можем конструировать молекулы, которые способствуют увеличению фототока, мы также можем использовать это явление в наших интересах», — говорит профессор.
