Эрик Биттнер, профессор химии и физики Джона и Ребекки Мур в Колледже естественных наук и математики UH, и Карлос Сильва, доцент кафедры органических полупроводниковых материалов Университета Монреаля и Канады, говорят, что эта модель может привести к новым материалы для солнечных элементов, изготовленные из улучшенных смесей полупроводниковых полимеров и фуллеренов.Исследователи описывают свои выводы в статье под названием «Квантовая когерентность, вызванная шумом, движет динамикой генерации фотоносителей на гетеропереходах полимерных полупроводников», опубликованной в журнале Nature Communications в январе 2014 года.«Ученые не до конца понимают, что происходит внутри материалов, из которых состоят солнечные элементы.
Мы пытались понять фундаментальную фотохимию или фотофизику, которая описывает, как эти элементы работают», — сказал Биттнер.Солнечные элементы состоят из органических полупроводников — обычно смеси материалов.
Однако солнечные элементы из этих материалов имеют КПД около 3%. Биттнер добавил, что новые материалы, смеси фуллерена и полимера, достигают эффективности только около 10 процентов.«Существует теоретический предел эффективности идеального солнечного элемента — предел Шокли-Кайссера. Теория, которую мы опубликовали, описывает, как мы могли бы выйти за пределы этого теоретического предела, воспользовавшись квантово-механическими эффектами», — сказал Биттнер. «Мы считаем, что понимая эти эффекты и используя их при проектировании солнечных элементов, вы можете повысить эффективность».
Сильва добавил: «В полимерных полупроводниках, где пластмассы образуют активный слой солнечных элементов, электронная структура материала тесно связана с колебательным движением внутри полимерной цепи. Квантово-механические эффекты из-за такого взаимодействия колебательных электронов приводят к возникновению множество интересных физических процессов, которыми можно управлять, чтобы оптимизировать эффективность солнечных элементов, создавая материалы, которые наилучшим образом их используют ".Идея модели родилась, когда Биттнер был стипендиатом Фулбрайта в Канаде и приглашенным профессором Монреальского университета в сотрудничестве с Сильвой, экспертом в области сверхбыстрой лазерной спектроскопии и органических полупроводников.
Биттнер говорит, что преимущество их модели заключается в том, что она дает представление о том, что происходит в системах солнечных батарей.«Наша теоретическая модель позволяет достичь того, чего нельзя добиться с помощью молекулярной модели», — сказал он. «Это в основном математическая модель, которая позволяет нам взглянуть на гораздо более крупную систему с тысячами молекул.
Вы не можете проводить обычные квантово-химические расчеты для системы такого размера».Расчеты побудили группу Сильвы провести серию новых экспериментов, чтобы проверить результаты, предсказанные их моделью.Следующие шаги Биттнера и Сильвы предполагают сотрудничество с исследователями, которые являются экспертами в производстве полимеров и солнечных элементов.Работа в UH финансировалась Фондом Роберта Велча и Национальным научным фондом.
Работа в Канаде была поддержана Национальным советом по научным и инженерным исследованиям Канады.