Представьте себе футболки, которые светятся, или пляжный зонт, который собирает солнечную энергию для работы портативного телевизора. Как насчет действительно дешевых солнечных коллекторов для крыши?
Все это и многое другое может быть получено благодаря передовым исследованиям в Корнелле, которые демонстрируют новый тип органических полупроводниковых устройств, которые проявляют электролюминесценцию и действуют как фотогальванический элемент. Это первое устройство, в котором используется «ионный переход», что, по словам исследователей, может привести к повышению производительности. Поскольку органические полупроводники могут быть сделаны в виде тонких гибких листов, они могут создавать дисплеи на ткани или бумаге.
«Гибкость означает низкозатратное производство», - сказал Джордж Маллиарас, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии Корнелла, в лаборатории которого проводились исследования. А это значит, что еще одним результатом исследования могут стать недорогие солнечные элементы массового производства.
Работа описана в выпуске журнала Science от 7 сентября в статье аспирантов Корнелла Даниэля Бернардса и Сэмюэля Флорес-Торреса, Эктора Абрунья, профессора химии и химической биологии им. Маллиарас.
Полупроводники - органические или другие - это материалы, которые содержат либо избыток свободных электронов (N-тип), либо «дырок» (P-тип). Дырки - это места, где у атома должен быть электрон, но его нет, что представляет собой положительный заряд. Материалы N- и P-типа можно соединять для образования диодов и транзисторов. Исследователи из Корнелла пошли еще дальше, изготовив диод из органических полупроводников, которые также содержат свободные ионы (молекулы с электрическим зарядом). Они соединили вместе два органических слоя, один из которых содержал свободные положительные ионы, а другой - отрицательные. Затем они добавили тонкие проводящие пленки сверху и снизу; верхний проводник прозрачен, что позволяет свету входить и выходить.
Там, где встречаются две пленки, отрицательные ионы мигрируют через соединение к положительной стороне и наоборот, пока не будет достигнуто равновесие. По словам исследователей, это аналогично тому, что происходит в кремниевом диоде, где электроны и дырки мигрируют через переход.
Когда к верхнему и нижнему электродам приложено напряжение, через соединение протекает ток в виде электронов, движущихся в одну сторону, а дырок - в другую. Миграция ионного заряда через соединение вызывает более высокий потенциал (разность напряжений), чем обычно, что влияет на то, как электроны объединяются с дырками. Это повышает энергию молекул, которые быстро высвобождают энергию в виде фотонов света. Соединение показывает «интенсивное излучение света», говорится в статье исследователей.
С другой стороны, когда применяется яркий свет, фотоны поглощаются молекулами, заставляя их выбрасывать электроны. Ионные заряды создают «предпочтительное направление» для движения электронов, и течет ток.
Сбор зарядов также позволяет электронам и дыркам легко перемещаться по переходу в одном направлении, но лишь слабо в другом, что делает устройство выпрямителем. Возможно, сказал Маллиарас, изменить конфигурацию ионного заряда, подав напряжение на устройство, сообщая ему, проводить его или нет, поэтому органические диоды можно было бы использовать в качестве компонентов для компьютерной памяти..
Поскольку устройство было создано путем ламинирования гибких материалов, большое количество пленки можно производить очень дешево, подавая вместе две пленки из рулонов, сказал Маллиарас. Следующим шагом, добавил он, является попытка изменить содержание металла в полупроводниках, чтобы сделать более эффективные материалы.
"Есть масса материалов, которые мы можем использовать", - сказал он.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Корнельским центром исследования материалов, Управлением науки, технологий и академических исследований штата Нью-Йорк, Управлением военно-морских исследований, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны и Департаментом стипендии обороны.