Экспериментальная методика и статические спектры поглощения P3HT. a Экспериментальная установка для спектроскопии мягкого рентгеновского излучения с временным разрешением. Импульс накачки в видимом диапазоне длительностью 15 фс возбуждает переход π→π* в P3HT, а аттосекундный импульс мягкого рентгеновского излучения с временной задержкой исследует края поглощения углерода и серы. b Видимый спектр поглощения образцов P3HT, использованных в данной работе, и спектр импульса накачки с центром в максимуме π→π*-резонанса в P3HT. c Типичный спектр мягкого рентгеновского излучения до ~330 эВ (черная линия). Красная линия – спектр рентгеновского поглощения образца P3HT, одновременно разрешаются особенности поглощения на серном L 1,2,3 и углеродном K-краях. Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31008-w

Исследование самых первых моментов процесса преобразования света в электричество может помочь исследователям улучшить новые солнечные элементы, что позволит им более эффективно производить энергию.

Метод, разработанный исследователями Имперского колледжа Лондона, использует сверхбыстрые лазеры и рентгеновские лучи, чтобы спровоцировать реакцию, а затем измерить вызванные ею изменения всего за фемтосекунды (квадриллионные доли секунды).

Теперь группа исследователей из Имперского и Ньюкаслского университетов использовала эту технику для изучения органических фотоэлектрических (OPV) материалов, которые собирают солнечные лучи для производства энергии или расщепления воды.

Материалы OPV интенсивно изучаются, поскольку они могут обеспечить более дешевую возобновляемую энергию. Однако многие из используемых в настоящее время материалов нестабильны или неэффективны из-за сложного взаимодействия электронов, возбуждаемых светом.

Более тщательное изучение быстрых взаимодействий этих электронов, как, например, статья, опубликованная сегодня в Nature Communications , которая сочетает в себе быстрое временное разрешение с измерениями, локализованными на атомах, дает ценную информацию о методах улучшения солнечных элементов и катализаторов.

Более эффективные устройства

Профессор Джон Марангос из физического факультета Imperial говорит, что «OPV — это дешевая и гибкая альтернатива фотоэлектрическим элементам на основе кремния, и поэтому они представляют собой привлекательную перспективу для использования в будущей инфраструктуре производства солнечной энергии».

«Эта работа демонстрирует возможности нашего нового рентгеновского метода с временным разрешением, который теперь можно применять к более широкому спектру материалов и может дать понимание, необходимое для создания более эффективных устройств OPV».

Команда исследовала первый этап преобразования солнечной энергии — реакции в материале, вызванные попаданием света. Сначала они направили на материал лазерный импульс длительностью 15 фемтосекунд, чтобы вызвать реакцию. За этим последовал импульс рентгеновского излучения длительностью всего в аттосекунды (менее миллионных миллиардных долей секунды), который измерял результирующие изменения в материале.

Быстро развивающиеся государства

Команда впервые наблюдала прямые рентгеновские сигнатуры начального состояния материала, когда электроны выбиваются из положения. Это создает пару электрона и «дырки», которая может двигаться сквозь материал.

Это начальное состояние быстро превратилось в новое, более стабильное состояние всего за 50 фемтосекунд. Расчеты профессора Тома Пенфолда из Ньюкаслского университета хорошо согласуются с наблюдениями, показывая, что начальное состояние зависит от расстояния между цепочками молекул в материале.

Доктор Артем Бакулин с химического факультета Империал говорит, что «эта чувствительность рентгеновского метода с временным разрешением к начальной динамике электронов, возникающей непосредственно после возбуждения светом, прокладывает путь к новому пониманию фотофизики широкого спектра» ассортимент органических оптоэлектронных и других материалов».

Теперь команда планирует изучить сверхбыструю динамику заряда в других органических полупроводниковых материалах, включая недавно обнаруженные материалы , которые используют различные молекулы в качестве акцепторов электронов, что демонстрирует повышенную эффективность OPV.