Nova studija objavljena 5. marta u Nature Communications pokazuje da molekularne vibracije mogu „katapultirati" elektrone kroz organske solarne materijale za samo 18 femtosekundi. Istraživači sa University of Cambridge koristili su ultrabrzu spektroskopiju na donorskom polimeru TS-P3 i posvedočili koherentnom, vibracijom pokretanom prenosu naelektrisanja. Otkriće ukazuje na novu strategiju dizajna materijala koji koriste molekulske pokrete za poboljšanje efikasnosti organskih solarnih ćelija.
Molekularna „katapulta“ lansira elektrone kroz organski solarni materijal za samo 18 femtosekundi
Vibrations in a solar material facilitate charge transfer in mere quadrillionths of a second, a new study finds. | Credit: Pratyush Ghosh
Molekularne vibracije mogu „katapultirati" elektrone kroz organske solarne materijale u kvadrilionitim delovima sekunde — znatno brže nego što se dosad pretpostavljalo, pokazuje nova studija objavljena 5. marta u časopisu Nature Communications.
Istraživači sa University of Cambridge koristili su kratke laserske pulseve da pobude donorski polimer TS-P3, a zatim drugim laserskim impulsom pratili kako se sistem menja tokom prenosa naelektrisanja. Tim je zabeležio da je prenos elektrona sa donora na akceptor trajao svega 18 femtosekundi — red veličine jedne molekulske vibracije.
Kako su izmerili proces
U tipičnim organskim solarnim ćelijama svetlost stvara egziton — vezani par elektrona i „rupe“ — koji se rasipa na granici između donora i akceptora. Da bi prenos bio brz i efikasan, dosad se smatralo da su potrebni jaka elektronska povezanost (preplitanje) ili velika razlika u energiji između materijala. U ovoj studiji tim je pokazao da to nije neophodno.
Koristeći ultrabrzu spektroskopiju, autori su pobudili TS-P3 i pratili koherentne vibracije molekula. Eksperimenti su pokazali da vibracija u donorskom polimeru „lansira“ elektron preko međufaze, a dolazak elektrona izaziva preklapajuće vibracije u akceptoru. Upravo to preklapanje vibracija omogućava izuzetno brz prenos bez snažnog elektronskog preplitanja ili velike energetske razlike.
„Efektivno posmatramo migraciju elektrona na istom satu kao i atome“, rekao je Pratyush Ghosh, koautor studije i stručnjak za ultrabrzu spektroskopiju na University of Cambridge.
Zašto je otkriće značajno
Rezultati pokazuju da molekulske vibracije ne prate samo proces prenosa naelektrisanja — one ga i aktivno pokreću. Umesto da pokušavamo da potisnemo molekulske pokrete, ideja je da se dizajniraju materijali koji ih ciljano koriste, pretvarajući do sadašnje ograničenje u funkcionalni alat.
Kako objašnjava koautor Akshay Rao, „Umesto da pokušavamo da suzbijemo molekulske pokrete, sada možemo da projektujemo materijale koji ih koriste — pretvarajući vibracije iz ograničenja u alat."
Implikacije i naredni koraci
Otkriće otvara nove strategije za dizajn efikasnijih organskih solarnih ćelija i drugih fotoelektričnih materijala. Prateća istraživanja treba da potvrde koliko se ovaj mehanizam može primeniti na različite polimere i akceptore, kako utiče na stabilnost uređaja i kako ga iskoristiti u komercijalno relevantnim sistemima.
Autori napominju da su rezultati eksperimentalni i da će biti potrebni dalji rad i modeliranje da bi se prevelo saznanje u praktične materijale i uređaje.
Pomozite nam da budemo bolji.
