Ultrahurtige lasere bruges til at sondere næste generations solceller

Forskere har sporet de første brøkdele af et sekund, efter at lys rammer solceller, hvilket giver indsigt i, hvordan de producerer elektricitet.

At undersøge de allerførste øjeblikke af processen med at omdanne lys til elektricitet kan hjælpe forskere med at forbedre nye solceller, så de kan producere energi mere effektivt.

Metoden, der er udviklet af forskere fra Imperial College London, bruger ultrahurtige lasere og røntgenstråler til at fremkalde en reaktion og derefter måle de ændringer, den forårsager i løbet af blot femtosekunder (kvadrilliontedele af et sekund).

Nu har et team af forskere ved Imperial og Newcastle University brugt teknikken til at studere organiske fotovoltaiske (OPV) materialer, der høster solens stråler for at producere energi eller til at spalte vand.

OPV-materialer er under intens undersøgelse, da de kan give billigere vedvarende energi. Men mange af de materialer, der bruges i øjeblikket, er ustabile eller ineffektive på grund af den komplekse interaktion mellem elektroner, der exciteres af lys.

Nærmere undersøgelse af de hurtige vekselvirkninger mellem disse elektroner, som papiret offentliggjort i dag i Nature Communications der kombinerer hurtig tidsopløsning med målinger lokaliseret til atomer, giver værdifuld indsigt i metoder til forbedring af solceller og katalysatorer.

Mere effektive enheder

Professor Jon Marangos, fra Institut for Fysik ved Imperial, siger, at "OPV'er er billige og fleksible alternativer til siliciumbaserede solceller, og de er derfor et attraktivt perspektiv til brug i fremtidig solenergiproduktionsinfrastruktur."

"Dette arbejde demonstrerer styrken af ​​vores nye tidsopløste røntgenteknik, som nu kan anvendes på en bredere vifte af materialer og kan give den nødvendige forståelse for at lave mere effektive OPV-enheder."

Holdet undersøgte det første trin i solenergiomdannelsen - reaktionerne i materialet forårsaget af lysindfald. De affyrede først en laserpuls, der varede 15 femtosekunder, mod materialet for at fremkalde reaktionen. De fulgte dette med en røntgenpuls, der varede kun attosekunder (mindre end milliontedele af en milliardtedel af et sekund), som målte de resulterende ændringer i materialet.

Hurtigt udviklende stater

Holdet observerede for første gang direkte røntgensignaturer af materialets begyndelsestilstand, når elektroner blev slået ud af position. Dette skaber et elektron- og "hul"-par, som kan bevæge sig gennem materialet.

Denne indledende tilstand udviklede sig hurtigt til en ny, mere stabil tilstand på kun 50 femtosekunder. Beregninger foretaget af professor Tom Penfold ved Newcastle University stemte godt overens med observationerne, idet de viste, at starttilstanden afhang af afstanden mellem kæder af molekyler i materialet.

Dr. Artem Bakulin, fra Institut for Kemi ved Imperial, siger, at "denne følsomhed af den tidsopløste røntgenmetode over for den indledende elektrondynamik, der opstår direkte efter excitation af lys, baner vejen for ny indsigt i fotofysikken i en bred række organiske optoelektroniske og andre materialer."

Holdet planlægger nu at udforske den ultrahurtige ladningsdynamik i andre organiske halvledermaterialer, herunder nyligt opdagede materialer, der bruger forskellige molekyler som elektronacceptorer, som viser forbedret OPV-effektivitet. + Udforsk yderligere

Et skridt mod billigere solenergi