Фотовольтаика, преобразование света в электричество, является ключевой технологией для устойчивой энергетики. Со времен Макса Планка и Альберта Эйнштейна мы знаем, что свет, как и электричество, квантуется, что означает, что они поступают в виде крошечных пакетов, называемых фотонами и электронами. В солнечном элементе энергия одного фотона передается одному электрону материала, но не более чем одному. Исключением являются лишь несколько молекулярных материалов, таких как пентацен, где вместо одного фотона преобразуется в два электрона.
"Когда пентацен возбуждается светом, электроны в материале быстро вступают в реакцию", - объясняет профессор. Ральф Эрнсторфер, старший автор исследования. "Это был открытый и очень спорный вопрос о том, возбуждает ли фотон два электрона непосредственно или первоначально один электрон, который впоследствии делится своей энергией с другим электроном".
Чтобы разгадать эту тайну, исследователи использовали фотоэмиссионную спектроскопию с разрешением по времени и углу, ультрасовременный метод наблюдения динамики электронов в фемтосекундном масштабе времени, который составляет миллиардную долю миллионной доли секунды. Эта сверхбыстрая электронная кинокамера позволила им впервые получить изображения мимолетно движущихся возбужденных электронов.
"Наблюдение за этими электронами имело решающее значение для расшифровки процесса", - говорит Александр Ниф из Института Фрица Хабера и первый автор исследования. "Возбужденный электрон не только обладает определенной энергией, но и движется по определенным траекториям, которые называются орбиталями. Гораздо легче отличить электрон друг от друга, если мы сможем увидеть форму их орбиталей и то, как они меняются со временем".
Имея под рукой изображения из фильма "Сверхбыстрый электрон", исследователи впервые проанализировали динамику возбужденных электронов на основе их орбитальных характеристик. "Теперь мы можем с уверенностью сказать, что непосредственно возбуждается только один электрон, и определили механизм процесса удвоения возбуждения", - добавляет Александр Ниф.
Знание механизма деления экситонов необходимо для его использования в фотоэлектрических приложениях. Кремниевый солнечный элемент, усиленный материалом, удваивающим возбуждение, мог бы повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую на треть. Такой прогресс может иметь огромные последствия, поскольку солнечная энергия станет доминирующим источником энергии в будущем. Уже сегодня в строительство этих солнечных элементов третьего поколения вкладываются крупные инвестиции.
Комментарии