«Молекулярная катапульта»: квантовый скачок в эффективности солнечных батарей

Молекулярные вибрации способны «катапультировать» электроны через солнечные материалы за квадриллионные доли секунды — гораздо быстрее, чем считалось ранее, показало новое исследование. Согласно работе, опубликованной 5 марта в журнале Nature Communications, эти результаты могут помочь ученым найти более эффективные способы преобразования солнечной энергии в электричество.

«По сути, мы наблюдаем миграцию электронов в том же временном масштабе, в котором движутся сами атомы», — заявил в пресс-релизе соавтор исследования Пратьюш Гош, исследователь ультрабыстрой спектроскопии из Кембриджского университета.

Органика выходит на сцену

Органические солнечные элементы используют углеродные молекулы вместо кремния для преобразования света в электричество. Теоретически они могут обеспечивать электроэнергию с меньшими затратами, чем традиционные кремниевые панели, однако их эффективность пока значительно ниже. В типичном органическом фотоэлементе донор и акцептор электронов расположены между двумя проводящими электродами. Когда свет попадает на ячейку, возникает экситон — связанная пара электрона и дырки. Экситоны распадаются на границе раздела донора и акцептора, генерируя электрический ток.

Рекордная скорость и «молекулярная катапульта»

Обычно для быстрого переноса заряда на границе раздела и минимизации потерь энергии молекулы донора и акцептора требуют сильной электронной связи (перекрытия электронных состояний), а также значительной разницы в энергетических уровнях. Однако последнее ограничивает выходное напряжение устройства.

В новом исследовании ученые наблюдали сверхбыстрый перенос заряда на стыке донора и акцептора в органическом солнечном элементе без необходимости соблюдать эти жесткие условия. Команда использовала короткий лазерный импульс для возбуждения донора — полимера под названием TS-P3, а затем с помощью другого лазера измерила изменения в системе в момент переноса заряда.

Этот процесс занял всего 18 фемтосекунд — примерно столько же времени длится одно колебание молекулы. Для сравнения: в некоторых других системах без сильной движущей силы перенос заряда происходит за 100–200 фемтосекунд, но большинству таких процессов требуется время в десять, а то и в тысячу раз больше. «Увидеть, как это происходит в таком временном масштабе в рамках одного молекулярного колебания, — нечто экстраординарное», — отметил Гош.

Схожесть временных масштабов оказалась не случайной. Во второй серии лазерных экспериментов исследователи обнаружили, что вибрации в молекуле полимера-донора запускают электрон через переход к молекуле-акцептору. Когда электрон достигал цели, он вызывал ответные колебания уже в акцепторе. Это перекрытие позволило переносу заряда произойти гораздо быстрее ожидаемого, без необходимости в сильной связи или большой разнице энергий.

«Вместо того чтобы дрейфовать хаотично, электрон запускается единым когерентным импульсом, — объяснил Гош. — Вибрация действует как молекулярная катапульта. Колебания не просто сопровождают процесс, они активно им управляют».

Новый подход к дизайну материалов

Исследователи подчеркивают, что полученные данные помогают объяснить механизмы, контролирующие скорость переноса заряда, и открывают новые стратегии для создания более эффективных органических солнечных элементов и материалов. Вместо того чтобы пытаться подавлять молекулярное движение, теперь можно проектировать материалы, которые используют его во благо.

«Вместо того чтобы пытаться подавить молекулярное движение, мы теперь можем создавать материалы, которые используют его, — превращая вибрации из ограничения в инструмент», — резюмировал в заявлении соавтор исследования Акшай Рао, физик из Кембриджа.

Это открытие знаменует собой сдвиг парадигмы: вместо борьбы с тепловыми колебаниями молекул ученые предлагают использовать их как активный механизм для управления переносом энергии. Такой подход может не только повысить эффективность органической фотовольтаики, но и найти применение в области молекулярной электроники, фотокатализа и даже создания искусственных фотосинтетических систем, где скорость разделения заряда является критическим фактором.