Теперь ученые, являющиеся членами Центра вычислительных исследований явлений возбужденного состояния в энергетических материалах (C2SEPEM), нового научного центра, связанного с энергетическими материалами, базирующегося в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, решили загадку. это может привести к повышению эффективности.Они выявили источник сверхбыстрого и эффективного процесса, который порождает несколько носителей электрического заряда из одной частицы света в органических кристаллах, которые являются неотъемлемой частью этой все более популярной формы солнечных элементов.Этот процесс, называемый «синглетным делением», потому что он похож на расщепление атомных ядер при делении ядер с образованием двух более легких атомов из более тяжелого — обещает значительно повысить эффективность органических солнечных элементов за счет быстрого преобразования большего количества солнечного света. энергия превращается в электрические заряды вместо того, чтобы терять ее в тепло.
Исследовательская группа обнаружила новый механизм, объясняющий, как эта реакция может происходить всего за десятки фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), прежде чем другие конкурирующие эффекты смогут украсть их энергию. Их исследование было опубликовано 29 декабря в журнале Physical Review Letters.
«Мы фактически открыли новый механизм, который позволяет нам пытаться создавать более качественные материалы», — сказал Стивен Г. Луи, директор C2SEPEM, центра, поддерживаемого Министерством энергетики, в который входят исследователи из Berkeley Lab; Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе; Техасский университет в Остине; и Технологический институт Джорджии.Луи, соруководитель исследования, также является старшим научным сотрудником отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессором физики Калифорнийского университета в Беркли. C2SEPEM фокусируется на разработке теорий, методов и программного обеспечения, помогающих объяснить сложные процессы в материалах, связанных с энергетикой.В процессе расщепления составная частица, состоящая из электрона, имеющего отрицательный заряд, и его дырки-партнера (свободное положение электрона в атомной структуре материала, которое ведет себя как частица, несущая положительный заряд) быстро превращается в две электронно-дырочные пары.
Это удваивает потенциал переноса заряда в материале, избегая потери энергии в виде тепла.«Мы многое еще не понимаем в фундаментальной физике этого процесса в кристаллических материалах, и мы надеемся пролить больше света на это», — сказал Джеффри Б. Нитон, заместитель директора C2SEPEM, который вместе с Луи руководил исследованием. .Нитон также является заместителем директора лаборатории энергетических наук в лаборатории Беркли, директором Молекулярной литейной лаборатории Беркли и профессором физики в Калифорнийском университете в Беркли. «Вычислительный метод, который мы разработали, является очень предсказуемым, и мы использовали его, чтобы понять синглетное деление по-новому, что может позволить нам разрабатывать материалы, даже более эффективные, например, для сбора света».
Луи отметил, что многие прошлые усилия были сосредоточены всего на нескольких молекулах внутри материала — в данном случае на кристаллизованной форме пентацена, которая состоит из водорода и углерода — чтобы узнать об этих экзотических эффектах. Но такие подходы могли чрезмерно упростить эффекты, управляющие синглетным делением.«Было предпринято много теоретических попыток понять, что происходит», — сказал он.
В этом последнем исследовании группа исследователей начала с крупномасштабного обзора общей структуры кристаллизованного пентацена и, в частности, его симметрии — повторяющихся структур в его атомной структуре.«Это все равно, что пытаться объяснить океан, рассматривая его молекулу за молекулой или глядя на целую волну», — сказал Фелипе Х. да Хорнада, соавтор исследования с Сиваном Рефели-Абрамсон.
Оба являются постдокторантами в Berkeley Lab и Калифорнийском университете в Беркли, а также связаны с C2SEPEM.«Наш подход напрямую захватывает весь кристалл», независимо от размера, — отметил он.Команда использовала расчеты, выполненные частично в Molecular Foundry лаборатории Беркли, и суперкомпьютерные ресурсы в Национальном вычислительном центре энергетических исследований лаборатории, чтобы разработать, смоделировать и проверить свои новые теории процесса деления.«Мы считаем, что эти теории также могут быть применены к самым разным материалам, — сказал Рефэли-Абрамсон, — и в этом смысле теория очень важна».
Предыдущие эксперименты упустили некоторые важные ключи к разгадке роли кристаллической структуры в механизме синглетного деления.В исследовании делается вывод о том, что для эффективного удвоения этих электронно-дырочных пар отобранный материал должен демонстрировать определенный вид симметрии или повторяющиеся комбинации молекул в своей кристаллической структуре — точно так же, как пол комнаты может отображать множество простых, повторяющиеся узоры с использованием одинаковых плиток.Эффективность процесса синглетного деления, по-видимому, в значительной степени зависит от количества молекул, упакованных в каждом повторяющемся шаблоне или «мотиве» в кристалле, и от особого типа симметрии, в которой имеется поворот на 180 градусов и зеркальное отражение этих молекул. мотивы.
Эта взаимосвязь между симметрией и эффективностью, как выяснили исследователи, позволяет им делать убедительные прогнозы эффективности деления в целом.Однако эти предсказания могут быть возможны только в том случае, если пары электрон-дырка в образце будут вести себя как волнообразные объекты, движущиеся по всему кристаллу, как волны в океане. Этот подход также дал им новое понимание процесса расщепления и того, как вновь созданные пары должны вести себя как волны, распространяющиеся в противоположных направлениях.Исследователи отметили, что есть еще несколько шагов, которые необходимо проработать, чтобы сделать эти выводы более актуальными для реальных приложений.
В солнечных элементах, например, электроны должны эффективно освобождаться от их спаривания с дырками, чтобы собирать их энергию и улучшать характеристики солнечных панелей.Понимание удвоения носителей заряда в материале может помочь исследователям лучше объяснить и спроектировать обратные процессы, такие как технология, используемая в некоторых дисплеях мобильных телефонов, которая уменьшает количество носителей заряда (процесс, известный как слияние триплетов), сказал Neaton.
Луи отметил, что многопрофильная команда, которая была собрана для исследования, ключевого аспекта центра C2SEPEM, была неотъемлемой частью внедрения нового мышления для решения проблемы давней давности.«Это одна из первых важных тем, которую мы могли обсудить, и теперь она претворяется в жизнь», — сказал он.