Forskere observerer direkte lys-til-energi-overførsel i nye solcellematerialer

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames -laboratorium er nu i stand til at fange det øjeblik, mindre end en billioner af et sekund, en lyspartikel rammer en solcelle og bliver til energi, og beskrive ladningsbærerens og atombevægelsens fysik for første gang.

Generering og dissociation af bundne elektron- og hulpar, nemlig excitoner, er centrale processer inden for solceller og fotovoltaiske teknologier, alligevel er det udfordrende at følge deres indledende dynamik og elektroniske sammenhæng.

Brug af tidsopløst lavfrekvent spektroskopi i terahertz spektralområdet, forskerne udforskede foto-excitationer af en ny klasse af fotovoltaiske materialer kendt som organometalhalogenidperovskitter. Organometallics er undermaterialer til let høst og elektroniske transportenheder, og de kombinerer det bedste fra begge verdener - den høje energikonverteringsydelse af traditionelle uorganiske fotovoltaiske enheder, med de økonomiske materialeomkostninger og fremstillingsmetoder til organiske versioner.

"Disse enheder er så nye og så unikke, at mekanismen, hvormed en lyspartikel, eller foton, konverterer til opladningsbærere, og hvordan de bevæger sig på en samordnet måde til energiomsætning, er ikke godt forstået, og alligevel er det de mest grundlæggende processer inden for solcelle- og fotovoltaiske teknologier, "sagde Jigang Wang, en videnskabsmand fra Ames Laboratory og lektor i fysik ved Iowa State University. "Hvorfor er dette materiale så tydeligt? Det har været det store spørgsmål i det videnskabelige samfund, og det har ført til feber i forskning og offentliggørelse. "

Forskere fra Ames Laboratory ønskede ikke kun at vide, hvordan generation og dissociation af bundne elektron- og hulpar, nemlig excitoner, skete i materialet, de ønskede at finde ud af kvanteveje og tidsinterval for denne begivenhed.

"Hvis du ser på den naturlige proces, i fotosyntese, det er en ekstremt effektiv proces i nogle biologiske molekyler, så det er også meget sammenhængende. Vi ser en lignende ting i et menneskeskabt system af en laser; en laser svinger i et fast bølgemønster, "sagde Wang." Hvis vi kan måle en sådan hukommelse i ladningstransporten og energimigrationen i disse materialer, vi kan forstå og kontrollere det, og har potentiale til at forbedre dem ved at lære af Moder Natur. "

Konventionelle multimetre til måling af elektriske tilstande i materialer fungerer ikke til måling af excitoner, som er elektrisk neutrale kvasipartikler uden nulstrøm. Ultrahurtige terahertz -spektroskopiteknikker gav en kontaktløs sonde, der var i stand til at følge deres interne strukturer, og kvantificere foton-til-exciton-hændelsen med tidsopløsning bedre end en billionion af et sekund.

Wang krediterede forskernes bidrag fra flere ekspertiseområder på tværs af Ames -laboratoriet med opdagelsens betydning. "Dette var kun muligt i samarbejde med eksperter inden for materialedesign og fremstilling, beregningsteori, og spektroskopi, "sagde han." At have disse muligheder ét sted er det, der gør Ames Laboratory til et af de mest fremadrettede steder inden for denne form for fotonisk materialeforskning. "

Forskningen diskuteres yderligere i et papir, "Ultrahurtige terahertz -øjebliksbilleder af excitoniske Rydberg -tilstande og elektronisk kohærens i en organometalhalogenidperovskit", skrevet af Liang Luo, Lange mænd, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, Joseph Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, og Jigang Wang; og udgivet i Naturkommunikation .