Ученые из университетов Бристоля и Кембриджа нашли способ создания полимерных полупроводниковых наноструктур, которые поглощают свет и передают его энергию дальше, чем наблюдалось ранее.
Это может проложить путь к более гибким и эффективным солнечным элементам и фотодетекторам.
Исследователи, чья работа опубликована в журнале Science, говорят, что их результаты могут «изменить правила игры», поскольку они позволят улавливать и использовать более эффективно энергию солнечного света, поглощаемую этими материалами.
Легкие полупроводниковые пластмассы в настоящее время широко используются в электронных дисплеях массового рынка, например, в телефонах, планшетах и телевизорах с плоским экраном. Однако использование этих материалов для преобразования солнечного света в электричество для изготовления солнечных элементов гораздо сложнее.
Состояния фотовозбуждения, когда фотоны света поглощаются полупроводниковым материалом, должны перемещаться, чтобы их можно было «собрать», прежде чем они потеряют свою энергию менее полезными способами. Эти возбуждения обычно проходят только ок. 10 нанометров в полимерных полупроводниках, что требует создания структур с такой же длиной, чтобы максимизировать «урожай».
В химических лабораториях Бристольского университета доктор Сюй-Хуэй Цзинь и его коллеги разработали новый способ создания высокоупорядоченных кристаллических полупроводниковых структур с использованием полимеров.
Находясь в Кавендишской лаборатории в Кембридже, д-р Майкл Прайс измерил расстояние, которое могут пройти фотовозбужденные состояния, достигнув расстояния в 200 нанометров - в 20 раз больше, чем было возможно ранее.
200 нанометров имеет особое значение, потому что это больше, чем толщина материала, необходимая для полного поглощения окружающего света, что делает эти полимеры более подходящими в качестве «собирателей света» для солнечных элементов и фотодетекторов.
Д-р Джордж Уиттел из Бристольской школы химии объясняет: «Выигрыш в эффективности на самом деле будет по двум причинам: во-первых, поскольку энергичные частицы путешествуют дальше, их легче «собрать», а во-вторых, мы можем теперь включают слои толщиной около 100 нанометров, что является минимальной толщиной, необходимой для поглощения всей энергии света - так называемая глубина оптического поглощения. Раньше в слоях такой толщины частицы не могли перемещаться достаточно далеко, чтобы достичь поверхности.."
Соавтор исследования профессор Ричард Френд из Кембриджа добавил: «Расстояние, на которое энергия может перемещаться в этих материалах, стало большим сюрпризом и указывает на роль неожиданных квантово-когерентных транспортных процессов».
Исследовательская группа теперь планирует подготовить структуры более толстые, чем в текущем исследовании и больше, чем глубина оптического поглощения, с целью создания прототипов солнечных элементов на основе этой технологии.
Они также готовят другие структуры, способные использовать свет для проведения химических реакций, таких как расщепление воды на водород и кислород.