Преобразование энергии солнца в электричество и солнечный водород может быть достигнуто с помощью целого ряда материалов. В одном важном классе органических солнечных элементов используются красители, наносимые, например, на полупроводниковый материал, такой как диоксид титана (TiO2).
Молекулы красителя действуют как своего рода «переводчик» солнечной энергии. Они захватывают свет и вводят электроны в качестве свободных носителей заряда в TiO2, что приводит к протеканию тока. Однако TiO2 далек от идеала, и оксид цинка (ZnO) действительно должен быть более подходящим в качестве электродного материала. Это связано с тем, что носители заряда в ZnO гораздо более подвижны, поэтому они должны течь быстрее после того, как произошло разделение заряда.
Кроме того, наноструктуры, которые особенно эффективно улавливают солнечный свет, могут быть легко получены с использованием ZnO.Детальное исследование возбужденных состояний с помощью ультракоротких лазерных импульсов.
Тем не менее, создание солнечных элементов из ZnO, превосходящих TiO2, пока не достигнуто. Теперь команда, возглавляемая Эмадом Азизом, впервые непосредственно наблюдала причину этого и подробно исследовала ее в «Совместной лаборатории сверхбыстрой динамики в решениях и интерфейсах».
Совместная лаборатория управляется HZB вместе с FU Berlin. В его распоряжении полный набор современных лазерных приборов, в том числе фотоэлектронный спектрометр с временным разрешением, который может генерировать ультракороткие импульсы XUV с длительностью менее 45 фемтосекунд. Эти сверхкороткие световые импульсы позволяют отслеживать как временное, так и энергетическое развитие возбужденных состояний в сверхкоротких временных масштабах.
Состояния интерфейса как ловушки для носителей заряда«Наши измерения впервые напрямую показывают, что носители заряда временно захватываются из-за образования пограничного состояния между красителем и полупроводниковым пограничным слоем. В результате они больше не доступны сразу в качестве свободных носителей заряда», — объясняет Марио Боргвардт. докторант в команде Азиза.
Эти "захваченные" электроны на границе раздела остаются на месте дольше. Это увеличивает вероятность того, что они снова «потеряны» из-за рекомбинации. Это, в свою очередь, снижает уровень эффективности солнечного элемента.Образцы для эксперимента были предоставлены командой профессора Леоне Спиччиа из Университета Монаша, Австралия.
Плодотворное сотрудничество развилось во время визита Спиччи в прошлом году в рамках его международной стипендии им. Гельмгольца от Ассоциации Гельмгольца, которая внесла фундаментальный вклад в успех этого проекта.Полезные советы по разработке материалов для преобразования или хранения энергииАзиз объясняет важность результатов: «Работа привела к лучшему пониманию процессов в пограничном слое между молекулой красителя и полупроводником.
Таким образом, мы смогли понять, как краситель и полупроводниковые материалы взаимодействуют друг с другом. Это позволяет нам теперь разработать подходы к прямому улучшению связи. Это важно не только для проектирования сенсибилизированных красителями солнечных элементов, но и для того, чтобы иметь возможность разрабатывать системы материалов для фотокаталитического производства водорода для хранения солнечной энергии в качестве водородное топливо ".