Kvantebølger i hjertet af organiske solceller

Ved at bruge et ultrahurtigt kamera, videnskabsmænd siger, at de har observeret de allerførste øjeblikke efter absorptionen af ​​lys i kunstige, men organiske nanostrukturer og fundet ud af, at ladninger ikke kun dannes hurtigt, men også adskilles meget hurtigt over lange afstande - fænomener, der opstår på grund af elektronernes bølgelignende natur, som er styret af kvantemekanikkens grundlæggende love.

Dette resultat overraskede videnskabsmænd, da man mente, at sådanne fænomener var begrænset til "perfekte" - og dyre - uorganiske strukturer; frem for det bløde, fleksibelt organisk materiale, som mange mener er nøglen til billige, 'roll-to-roll' solceller, der kunne udskrives ved stuetemperaturer-en meget anden verden end den traditionelle, men dyre behandling af nuværende siliciumteknologier.

Studiet, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , kaster nyt lys over mysteriemekanismen, der gør det muligt at adskille positive og negative ladninger effektivt - et kritisk spørgsmål, der fortsat pusler forskere - og tager forskere et skridt tættere på effektivt at efterligne den meget effektive evne til at høste sollys og konvertere til energi, nemlig fotosyntese, som den naturlige verden har udviklet sig i løbet af årtusinder.

"Dette er et meget overraskende resultat. Sådanne kvantefænomener er normalt begrænset til perfekte krystaller af uorganiske halvledere, og man forventer ikke at se sådanne effekter i organiske molekyler - som er meget uordnede og har en tendens til at ligne en tallerken kogt spaghetti frem for en krystal, "sagde dr. Simon Gélinas, fra Cambridges Cavendish Laboratory, der ledede forskningen sammen med kolleger fra Cambridge samt University of California i Santa Barbara.

I løbet af de første femtosekunder (en milliontedel af en milliarddel af et sekund) spreder hver ladning sig over flere molekyler frem for at blive lokaliseret til en enkelt. Dette fænomen, kendt som rumlig sammenhæng, tillader en afgift at rejse meget hurtigt over flere nanometer og flygte fra sin modsat ladede partner - et indledende trin, der synes at være nøglen til at generere afgifter med lang levetid, siger forskerne. Dette kan derefter bruges til at generere elektricitet eller til kemiske reaktioner.

Ved omhyggeligt at konstruere den måde, molekyler pakkes sammen på, teamet fandt ud af, at det var muligt at justere den rumlige sammenhæng og at forstærke - eller reducere - denne langdistanceadskillelse. "Måske vigtigst af alt tyder resultaterne på, at fordi processen er så hurtig, er den også energieffektiv, hvilket kan resultere i mere energi ud af solcellen, " sagde Dr Akshay Rao, en medforfatter på undersøgelsen fra Cavendish Laboratory.

Dr. Alex Chin, hvem ledede den teoretiske del af projektet, tilføjede, at hvis du ser ud over undersøgelsens implikationer for organiske solceller, dette er en klar demonstration af "hvordan fundamentale kvantemekaniske processer, såsom sammenhæng, spiller en afgørende rolle i uordnede organiske og biologiske systemer og kan udnyttes i nye kvanteteknologier ".