2 июля 2018

Полимерные кристаллы – ключ к рекордной передачи энергии

Ученые из университета Бристоль и Кембриджа нашли путь для создания полимерных полупроводниковых наноструктур, которые накапливают световую энергию и передают ее дальше, чем наблюдалось ранее.

Эта технология может проложить новый путь для более гибких и более эффективных солнечных панелей и фотодетекторов. По словам исследователей, результаты их работы могут стать «фактором, меняющим правила игры», позволяя энергии солнечного света накапливаться в этих материалах и использоваться более эффективно.

Легкие полупроводниковые пластики сейчас широко используются на мировом рынке электронных дисплеев, таких как телефоны, планшеты и телевизоры с плоским экраном. Однако использование этих материалов для преобразования солнечного света в электричество, для создания солнечных элементов намного сложнее.

Фотовозбужденные состояния, когда фотоны света поглощаются полупроводниковым материалом, необходимо «передвигать» так, чтобы их можно было «собрать», прежде чем они «потеряют» свою энергию менее полезными способами. Эти возбуждения, как правило, «передвигаются» приблизительно на 10 нм в полимерных полупроводниках, что требует создания структур, построенных по этой длине, чтобы «максимально собрать урожай».

В химических лабораториях Бристольского университета Dr Xu-Hui Jin и его коллеги разработали новый способ создания высокоупорядоченных кристаллических полупроводниковых структур с использованием полимеров.

Тем временем в Лаборатории Кавендиша в Кембридже д-р Майкл Прайс измерил расстояние, на которое могут перемещаться фотоизлученные состояния. Эти расстояния достигли значений в 200 нм, что в 20 раз больше, чем это было возможно ранее.

200 нм особенно значимы, потому что они больше толщины материала, необходимого для полного поглощения окружающего света, что делает эти полимеры более подходящими в качестве легких «сборщиков урожая» для солнечных элементов и фотоприемников.

Д-р Джордж Уиттелл из школы химии Бристоль объясняет: «Прирост эффективности фактически произойдет по двум причинам: во-первых, поскольку энергетические частицы продвигаются дальше, их легче собирать, а во-вторых, теперь мы можем включать слои толщиной около 100 нм, что является минимальной толщиной, необходимой для поглощения всей энергии от света, так называемой оптической глубиной поглощения. Раньше, в слоях такой толщины частицы не могли продвинутся достаточно далеко, чтобы достичь поверхности.»

Со-исследователь профессор Ричард Френд из Кембриджа добавил: «Расстояние, на которое энергия может перемещаться в этих материалах, становится большим сюрпризом и указывает на роль неожиданных квантовых когерентных процессов передачи.»

В настоящее время исследовательская группа планирует подготовить структуры с большей толщиной, чем те, которые находятся в текущем исследовании, и больше, чем глубина оптического поглощения, с целью создания прототипов солнечных элементов на основе этой технологии.

Также ведутся работы по подготовке других структур, способных использовать свет для проведения химических реакций, таких как расщепление воды на водород и кислород.