Двойная энергия фотонов для высокоэффективных солнечных батарей будущего
Команде ученных из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) удалось обнаружить группу материалов, позволяющих значительно повысить эффективность солнечных элементов и других фотоэлектрохимических систем. Результаты их проведенного исследования были опубликованы в журнале Nature Chemistry, в статье «Пространственное разделение триплетных экситонов» вызывает эндотермическое синглетное расщепление». Группа ученных NREL во главе с Надеждой Коровиной несколько лет работала над выявлением фундаментальных процессов, лежащих в основе синглета. Комбинируя моделирование и конструирование различных материалов на молекулярном уровне, они создали многообещающую молекулу, поглощающую энергию. Эта синтезированная молекула способна разделять энергию, выделяемую одним фотоном, на два возбужденных состояния, а также сохранять эти состояния на протяжении нескольких микросекунд, что в молекулярном масштабе довольно долго.
Синглетное расщепление
Обычно когда один фотон света ударяется о подходящий сверхпроводник, создается один экситон - возбужденное энергетическое состояние. В явлении, называемом синглетным расщеплением, некоторые органические молекулы из одного фотона могут генерировать два триплетных экситона, каждый из которых несет примерно половину энергии. Этот процесс может помочь получить больше энергии от каждого фотона, чем обычный солнечный элемент.
Рекомбинация
Однако проблема заключается в том, что при вступлении в контакт друг с другом два триплета сливаются и прекращают существовать. Кроме того в процессе расщепления теряется часть энергии на нагрев. Химики NREL работали над созданием идеальной органической фотоэлектрической молекулы, которая сможет минимизировать эти эффекты, то есть гарантировать, что синглетные экситоны будут преобразованы в триплеты без потери тепла, при этом сохранить триплеты на расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить их рекомбинацию.
"Скручиваясь при возбуждении, некоторые длинные цепочки органических молекул могут изолировать триплетные экситоны на противоположных концах молекулы."
Вместо того, чтобы охотиться за такой молекулой, ученые сконструировали свою собственную, поскольку знали, какие органические молекулы являются многообещающими, основываясь на предыдущих исследованиях. Однако им все еще нужно было выяснить длину и сложность этих молекул, чтобы избежать слияния триплетов.
С этой целью сотрудник NREL Надежда Коровина синтезировала серию молекул различной длины, построенных из цепочек светопоглощающих молекулярных строительных блоков, называемых хромофорами (часть молекулы, отвечающая за поглощение света). «Самым сложным было создание молекул, в которых был бы достигнут тонкий баланс энергий синглетов и триплетов», - говорит Коровина. «Примерно через год проб и ошибок мы получили необходимые молекулы, благодаря которым смогли изучить тонкости процесса синглетного расщепления».
После тщательной сортировки этих молекул по размеру команда определила, что для успешного выделения двух триплетных экситонов необходима цепочка, состоящая минимум из трех хромофоров.
Чтобы лучше понять, как именно цепочки хромофоров предотвращают рекомбинацию, исследователи обратились к компьютерному моделированию. Используя скорректированную модель взаимодействия частиц, они обнаружили, что ключом к изоляции триплетов является вращательное движение, в ходе которого молекулы приобретают необходимые свойства. «Молекулярная цепь обычно гибкая и податливая... но когда она поглощает фотон, цепь скручивается вокруг своей центральной оси и сначала становится жесткой, в результате чего получается форма, которая способствует образованию двух триплетов», - объясняют ученые.
«Последующее скручивание, которое происходит после завершения начального процесса, помогает пространственно разделить два триплета, увеличивая их продолжительность жизни».
По словам одного из авторов исследования, подобные открытия невозможны без пересечения дисциплин и объединения опыта, что дает значительно лучшие результаты. Применив различные экспериментальные и модельные методы, команда смогла не только синтезировать многообещающую молекулу, но и подробно объяснить принцип ее действия. Вооружившись фундаментальным пониманием механизмов, лежащих в основе синглетного расщепления, исследовательская группа считает, что будущая разработка высокоэффективных материалов солнечных элементов станет намного проще.