Как уменьшить нежелательные потери тепла в фотоэлектрических устройствах

Исследователи из Великобритании в рамках своей последней работы наблюдали переходы спин-триплетных экситонов из органического полупроводника пентацена в неорганические нанокристаллы селенида свинца. Обнаруженный механизм в перспективе может быть использован, чтобы помочь уменьшить нежелательные потери тепла в фотоэлектрических устройствах, тем самым, убрав фундаментальное ограничение их производительности.

Экситоны (спаренные электрон и дырка проводимости) – недолговечные квазичастицы, возникающие, когда свет падает на полупроводник, обеспечивая возбуждения электронов из валентной зоны (где они тесно связаны с атомом) с их переходом в зону проводимости (где они могут перемещаться, обеспечивая перенос заряда).

Каждый электрон оставляет «дырку проводимости» в валентной зоне, при этом электрон остается в непосредственной близости от этой дырки в связанной системе экситона. Спин-синглетный экситон представляет собой ситуацию, когда в молекуле два спаренных электрона имеют противоположное направление спина, что приводит к нулевому магнитному состоянию.

Спин-триплетный экситон упрощенно можно представить, как два спаренных электрона, спины которых имеют одинаковое направление. Таким образом, спин-триплетный экситон ведет себя, как простейший магнит.

Спин-синглетные экситоны можно назвать «яркими», поскольку их энергия легко может быть собрана в таких устройствах, как солнечные батареи. В отличие от них, спин-триплетные экситоны – «темные», поскольку поведение электронов в этой системе затрудняет сбор переносимой энергии. Ключевая задача при создании высокоэффективного солнечного элемента – извлечение электронов из этих триплетных экситонов. Как показала последняя работа группы исследователей из University of Cambridge (Великобритания), этого можно добиться при помощи объединения таких материалов, как пентацен с обычным полупроводником, например, кремнием.

В перспективе это поможет даже преодолеть существующий на сегодняшний день фундаментальный предел эффективности солнечных батарей.

В своем исследовании научная группа изучила ультратонкие органические/неорганические двухслойные пленки, состоящие из пентацена и селенида свинца. При помощи самых современных методик лазерной спектроскопии они увидели, как формируются спин-триплетные экситоны, когда пентацен облучается коротким (фемтосекундным) лазерным импульсом. Затем они наблюдали, как в течение одной пикосекунды эти экситоны переходят с пентацена на нанокристаллы селенида свинца.

Когда пентацен возбуждается светом, фотогенерируемые спин-синглетные экситоны сразу разделяются на два спин-триплетных экситона с меньшей энергией. Результаты, полученные учеными, показывают, что на каждый поглощенный фотон приходится более 1,9 перехода триплетных экситонов из пентацена в полупроводниковый селенид свинца.

Сам переход происходит из-за того, что на границе ультратонкого органического и неорганического полупроводника, волновые функции возбужденных состояний пересекаются. Это перекрытие позволяет электронам и дыркам проводимости, входящим в триплетный экситон, переходить с пентацена на нанокристаллы селенида свинца. Стоит отметить, что теория такой передачи была впервые описана еще в середине XX века.

Триплетные экситоны уже давно рассматриваются, как основной канал теплопотерь в органических светоизлучающих диодах и фотоэлементах. Таким образом, описанный механизм преумножения носителей заряда в перспективе поможет уменьшить нежелательную потерю тепла, выделяющегося при высоких энергиях возбуждения, распределяя энергию синглетных экситонов на два более стабильных триплета.

В настоящее время команда ищет, как спин-триплетный перенос энергии можно распространить на другие органические/неорганические системы. В перспективе они хотели бы разработать недорогое покрытие, которое могло бы использоваться для повышения эффективности преобразования энергии в солнечных элементах.