Работа, которая потенциально может вдохновить на создание устройств с повышенной эффективностью преобразования солнечной энергии, была выполнена на фотоэлементах, в которых в качестве фотоактивного полупроводникового материала использовались квантовые точки сульфида свинца. Исследование подробно описано в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
В изучаемом процессе каждый отдельный фотон или частица солнечного света, который поглощается, потенциально создает несколько пакетов энергии, называемых экситонами.
Эти пакеты могут впоследствии генерировать несколько свободных электронов, которые генерируют электричество в процессе, известном как генерация множественных экситонов (MEG). В большинстве солнечных элементов каждый поглощенный фотон создает только один потенциально свободный электрон.
Генерация множественных экситонов представляет интерес, потому что это может привести к солнечным элементам, которые генерируют больше электрического тока и делают их более эффективными. Работа UO проливает новый свет на малоизученный процесс МЭГ в наноматериалах.
В то время как потенциальная важность МЭГ в преобразовании солнечной энергии обсуждается учеными, эксперимент по спектроскопии UO, адаптированный в сотрудничестве с учеными из шведского университета Лунда, должен быть полезен для изучения многих других процессов в фотоэлектрических наноматериалах, сказал Эндрю Х. Маркус, профессор физической химии и заведующий кафедрой химии и биохимии UO.
Спектроскопические эксперименты, ранее разработанные Маркусом для проведения двумерной флуоресцентной спектроскопии биологических молекул, были адаптированы также для измерения фототока. «Спектроскопия — это все, что касается света и молекул, и того, что они делают вместе», — сказал Маркус. "Это действительно отличный зонд, который помогает нам рассказать о пути реакции, который связывает начало химического или физического процесса с его концом.
«Этот подход аналогичен изучению того, как молекулы объединяются в ДНК, но вместо этого мы изучили взаимодействия внутри полупроводниковых материалов», — сказал Маркус, член Института молекулярной биологии UO, Института материаловедения и Орегонского центра оптики. «Наш метод позволил изучить электронные пути, участвующие в создании множественных экситонов. О существовании этого явления можно было предположить только на основании косвенных свидетельств.
Мы считаем, что видели первые шаги, которые привели к МЭГ-опосредованной фотопроводимости."
Контролируемая последовательность лазерных импульсов позволила исследовательской группе из семи человек увидеть — в фемтосекундах (фемтосекунда — одна миллионная одной миллиардной секунды) — приход света, его взаимодействие с покоящимися электронами и последующее преобразование во множественные экситоны. Комбинированное использование фототока и двумерной флуоресцентной спектроскопии, сказал Маркус, предоставило дополнительную информацию о пути реакции.
Соавтор UO Марк C. Лонерган, профессор физики и химии материалов, изучающий электрические и электрохимические явления в твердотельных системах, сравнил наблюдаемые процессы с людьми, движущимися через кукурузный лабиринт с одним входом и тремя выходами.
Люди, входящие в лабиринт, — это фотоны. Те, кто быстро выходит, представляют собой поглощенные фотоны, которые генерируют непригодное тепло.
Люди, покидающие второй выход, представляют собой другие поглощенные фотоны, которые генерируют флуоресценцию, но не пригодные для использования свободные электроны. Люди, покидающие последний выход, указывают на пригодный к употреблению электрический ток.
«Нас интересует вопрос, как именно выглядит лабиринт», — сказал Лонерган. "Проблема в том, что у нас нет хороших методов, чтобы заглянуть внутрь лабиринта, чтобы обнаружить возможные пути через него. Техники, которые разработал Энди, в основном позволяют нам заглянуть в лабиринт, кодируя то, что выходит из системы, с точки зрения того, что именно происходит в ней.
Мы можем визуализировать, что происходит, пожали ли в какой-то момент два человека, входящие в лабиринт, и подробности о пути, который привел их к выходу с электричеством."
Проект начался, когда Тону Пуллериц, изучающий сверхбыструю фотохимию в полупроводниковых молекулярных материалах в Лундском университете, обратился к Маркусу с предложением принять его спектроскопическую систему для изучения солнечных материалов. Khadga J. Карки, научный сотрудник лаборатории Пуллеритса, затем посетил UO и объединился с группами Маркуса и Лонергана, чтобы перенастроить оборудование.
Докторант UO Юлия Р. Видом был одним из ведущих авторов статьи. Другими соавторами с Пуллеритсом, Маркусом и Лонерганом были Иоахим Зейбт из Лундского университета и аспирант UO Ян Муди.