Исследователям впервые удалось измерить сверхбыстрое перемещение электронов между молекулами. Эксперимент опроверг существующие теории о механизмах переноса заряда.
Физики из Кембриджского университета совершили прорыв в изучении квантовых процессов, зафиксировав движение электронов между молекулами за рекордные 18 фемтосекунд. Это открытие ставит под сомнение существующие теории о механизмах переноса заряда в современных фотоэлектрических устройствах.
Само по себе 18 фемтосекунд — число, которое сложно представить наглядно. За это время свет проходит лишь несколько нанометров, а большинство химических реакций еще не успевает даже начаться. Прежде считалось, что столь быстрый перенос заряда требует либо большой разницы в энергии между материалами, либо их очень плотного молекулярного контакта. Кембриджский эксперимент разрушил оба этих представления разом: система с минимальной энергетической ступенькой сработала быстрее, чем многие «классически выгодные» конфигурации.
Практический смысл открытия выходит далеко за рамки солнечной энергетики. Перенос заряда между молекулами — ключевой процесс не только в фотовольтаике, но и в биологии: именно так работает фотосинтез, именно так в сетчатке глаза свет превращается в нервный импульс. Природа, судя по всему, давно освоила тот же квантово-механический трюк с колебаниями, который физики только сейчас научились воспроизводить в лаборатории.
Ученые создали экспериментальную систему из двух материалов — полимерного донора и неффулеренового акцептора (это такой материал в органической электронике, который принимает электроны от другого материала-донора, но при этом не относится к классу молекул фуллеренов), у которых очень небольшая разница в энергии. По классической теории в такой системе заряд должен перемещаться медленно. Однако эксперимент показал обратное: частицы переходили из одного материала в другой почти мгновенно — за время, сравнимое с колебаниями атомов.
Сверхточные лазерные измерения помогли понять, как работает этот процесс. Когда на материал падает свет, молекулы полимера начинают быстро вибрировать. Эти колебания изменяют состояние электронов и помогают им перейти через границу между материалами. В результате электрон «перепрыгивает» в акцепторную молекулу, где запускает новое согласованное колебание.
Открытие может произвести революцию в создании солнечных элементов и фотодетекторов нового поколения. Теперь инженеры смогут не подавлять, а целенаправленно использовать молекулярные колебания для повышения эффективности устройств. Исследование, опубликованное в Nature Communications, объединило усилия ученых из шести стран.
Схожие разработки ведутся в нескольких научных центрах мира. Так, команда из Стэнфордского университета работает над созданием перовскитных солнечных элементов с использованием технологии CIGS (медь-индий-галлий-селен), а китайские специалисты из Института физики при Академии наук разрабатывают гибридные фотоэлектрические материалы на основе графена.
