A Cambridge-i kutatócsoport új mérési módszerekkel kimutatta, hogy a molekuláris rezgések képesek villámgyorsan továbbítani töltéseket szerves félvezetőkben: az elektronok áthelyezése néhány femtoszekundum alatt történik meg. Ez az időskála annyira rövid, hogy az elektronmozgás egyszerre követi az atomok rezgéseit, így a töltésátadás valójában a molekuláris mozgással összefüggő folyamat.
A felfedezés különösen fontos lehet a naperőművek fejlesztése szempontjából, mert új stratégiákat írhat elő a fény energiájának hatékonyabb elektromos árammá alakítására. A kutatók szerint nemcsak a lassító tényezőket kell felismerni, hanem a molekuláris mozgásokat is eszközként lehet használni, így csökkentve az energiaveszteséget.
Az eredményeket a csapat egy új kísérletsorozattal bizonyította: rövid lézerimpulzusokkal gerjesztették a rendszert, majd pump-probe technikával követték a töltésátadást. A megfigyelés arra utal, hogy az atomok és elektronok dinamikája szorosan összefonódik, ami teljesen új nézőpontot ad a szerves fotovoltaikus anyagok tervezéséhez.
Organikus napelemek új megközelítése
A hagyományos szilícium alapú celláktól eltérően az organikus napelemek szénalapú molekulákat használnak a fény elnyelésére és a töltések előállítására. Ezekben a rendszerekben egy elektronadó és egy elektronakceptor réteg között keletkezik a gerjesztés, az úgynevezett excitont, amelynek szétválása hozza létre az áramot. Az excitonoknak a donor–akceptor határfelületén kell szétszakadniuk ahhoz, hogy hatékony legyen a töltésszétválasztás.
Korábban a gyakorlatban azt tartották szükségesnek, hogy a donor és az akceptor molekulák erősen elektronikus kölcsönhatásban álljanak vagy nagy energiabeli különbség legyen közöttük, de ezek kompromisszumokkal jártak, például csökkentett feszültséggel. A mostani vizsgálat azonban olyan gyors töltésátvitelt mutatott, amely egyik feltétel megléte nélkül is működik, így új lehetőségeket nyit a tervezésben.
A csapat egy TS-P3 nevű polimerdonort gerjesztett rövid lézerimpulzussal, és másik laserrel követte a rendszer változásait. A mérések azt mutatták, hogy a töltésátadás mindössze 18 femtovonal alatt lezajlott, ami nagyjából megfelel egyetlen molekuláris rezgés periódusának. Ez a sebesség sokkal gyorsabb, mint amit a legtöbb korábbi rendszerben tapasztaltak.
Molekuláris katapult és lehetséges alkalmazások
A kísérletek második sorozata világított rá arra, hogyan lesz ilyen gyors az átvitel: a donor molekula rezgése elindítja az elektront, amely szinte „kilökődik” az akceptor felé, majd érkezéskor az akceptor molekulában is hasonló rezgések indulnak be. Ez a rezgésátvitel és rezonancia lehetővé teszi, hogy a töltés nem véletlenszerű diffúzióval, hanem egy koherens, impulzus jellegű mozgással érkezzen meg.
Az ilyen vibronikus mechanizmus lényege, hogy a molekuláris mozgások nem pusztán kísérik, hanem aktívan hajtják a töltéstranszfert; a folyamat így egyfajta molekuláris katapult-ként működik. Az elektron nem lassan sodródik át, hanem egy összefüggő, gyors roham keretében kerül át a határon, ami csökkentheti az energiaveszteséget és növelheti a hatásfokot.
A kutatók hangsúlyozzák, hogy ez az eredmény tervezési irányt váltó lehet: ahelyett, hogy igyekeznénk kiküszöbölni a molekuláris rezgéseket, azok kihasználásával tervezhetünk új anyagokat. Az ilyen szemlélet segíthet hatékonyabb és olcsóbb organikus napelemek kifejlesztésében, amelyek versenyképes alternatívát jelenthetnek a hagyományos technológiákkal szemben.
Forrás: LiveScience.com ↗̱
© Pratyush Ghosh
