Быстрый прыжок электрона
Время, необходимое электронам для перемещения в материалах, оказывает значительное влияние на эффективность многих биологических и технических систем. Исследовательская группа впервые продемонстрировала на примере новых солнечных элементов, что перенос электрона занимает всего три фемтосекунды. Многочисленные явления в науке происходят за чрезвычайно короткое время, в том числе перенос электронов между различными атомами и молекулами. Лазерная технология, используемая на сегодняшний день, может измерять периоды не менее 20 фемтосекунд - это очень мало, но недостаточно. Потому что на самом деле электроны движутся быстрее.
Команде под руководством Иоахима Шнадта из Упсальского университета и исследователей из Института Пауля Шеррера (PSI) и Университета Лунда удалось использовать новый метод измерения, который гораздо точнее регистрирует перенос электронов. Для этого ученые использовали синхротронный свет, электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне. Они использовали его для исследования наносолнечного элемента, также известного как элемент Гретцеля.
Наносолнечные элементы построены иначе, чем обычные фотоэлектрические системы. Важнейшим базовым материалом здесь является не кремний, а специально структурированный полупроводник - например, диоксид титана, который также добавляется в некоторые косметические средства и зубные пасты в качестве красителя. Оксид металла наносится на стеклянную пластину, запекается в твердую пленку, а затем состоит из крошечных частиц размером от 10 до 30 нанометров. Благодаря этой наноструктуре площадь поверхности в тысячу раз больше, чем у гладкой пленки, что является неоспоримым преимуществом при улавливании солнечного света.
Для того чтобы наносолнечный элемент работал, диоксид титана должен быть погружен в краситель. Падающий солнечный свет возбуждает электроны в молекулах красителя таким образом, что они текут в полупроводник внизу и генерируют электрический ток. Для того чтобы выработка солнечной энергии была максимально эффективной, с одной стороны, краситель должен быть хорошо подобран, а с другой стороны, перенос электрона должен происходить как можно быстрее.
Исследователи из Max Lab в Лунде, Швеция, измерили продолжительность переноса электрона. Используемое там синхротронное излучение возбуждало электроны в молекулах красителя. Затем с помощью так называемой резонансной фотоэмиссионной спектроскопии (RPES) можно было измерить время затухания возбужденного электронного состояния - оно составляет около шести наносекунд. Поскольку перенос электрона в полупроводник прямо конкурирует с этим распадом, он также повлиял на интенсивность ОФЭС.
Сравнение спектра РПЭ с другим спектроскопическим методом, который можно использовать для определения незанятых электронных состояний в молекулах красителя, давало затем время переноса электронов. Результат: всего за три фемтосекунды электроны перескакивают с возбужденных молекул красителя на полупроводниковый материал под ними.
Также было показано, что используемый краситель - органическая молекула с центральным атомом рутения - уже эффективно использует солнечный свет. Следовательно, повышение эффективности таких солнечных элементов, которая в настоящее время составляет десять процентов, должно начинаться с чего-то другого. Дальнейшие исследования должны сопровождаться измерениями на швейцарском источнике света PSI. Сверхбыстрое измерение времени переноса электрона также можно использовать для других применений в биологических и технических системах, например, при поиске новых химических процессов в фармацевтической промышленности.