Yhdestä fotonista neljä varauksenkantajaa20.04.2023 Tavallisessa aurinkokennossa yhden fotonin energia siirtyy kahteen vapaaseen varaukseen materiaalissa, mutta ei sitä enempää. Muutamat molekyylimateriaalit, kuten pentaseeni, ovat kuitenkin poikkeus ja osoittavat sen sijaan yhden fotonin muuntamisen neljäksi varaukseksi. Tämä virityksen kaksinkertaistuminen, jota kutsutaan eksitonifissioksi, voisi olla erittäin hyödyllinen tehokkaassa aurinkosähkössä. Max Planck Societyn Fritz Haber -instituutin, Berliinin teknillisen yliopiston ja Julius-Maximilians-Universität Würzburgin tutkijaryhmä on nyt tulkinnut tämän prosessin ensimmäisen vaiheen tallentamalla ultranopean elokuvan fotonista sähköksi eli konversioprosessi, joka ratkaisee vuosikymmeniä kestäneen keskustelun prosessin mekanismista. "Kun pentaseeni virittyy valosta, materiaalin varaukset reagoivat nopeasti", selittää professori Ralph Ernstorfer. "Se oli avoin ja erittäin kiistanalainen kysymys, herättääkö absorboitunut fotoni kaksi elektronia ja aukkoa suoraan vai aluksi vain yhden elektroni-aukko parin, joka jakaa energiansa myöhemmin toisen varausparin kanssa." Tämän mysteerin selvittämiseksi tutkijat käyttivät huippuluokan tekniikkaa elektronien dynamiikan tarkkailuun femtosekunnin aika-asteikolla. Tämä ultranopea elektronivideokamera antoi heille mahdollisuuden ottaa kuvia ohikiihtyvistä virittyneistä elektroneista ensimmäistä kertaa. "Näiden varauksenkantajaparien näkeminen oli ratkaisevan tärkeää prosessin tulkitsemisessa", sanoo Alexander Neef Fritz Haber -instituutista. "Virittyneellä elektroni-aukko-parilla ei ole vain tiettyä energiaa, vaan se myös mukauttaa kiertoratoja. Singlettifissioprosessin ymmärtämiseksi on erittäin tärkeää tunnistaa varauksenkuljettajien kiertoradan muodot ja kuinka ne muuttuvat ajan myötä." Ultranopean elektronielokuvan kuvilla tutkijat hajottivat virittyneiden varauksenkuljettajien dynamiikkaa ensimmäistä kertaa niiden orbitaalin ominaisuuksien perusteella. "Voimme nyt varmuudella sanoa, että vain yksi elektroni-aukko pari virittyy välittömästi fotonivirityksen jälkeen ja tunnistaa vapaan varauksenkuljettajan kaksinkertaistumisprosessin mekanismin", lisää Alexander Neef. "Tämän eksitonifission alkuvaiheen ratkaiseminen on välttämätöntä, jotta tämän luokan orgaaniset puolijohteet voidaan ottaa menestyksekkäästi käyttöön innovatiivisissa aurinkosähkösovelluksissa ja siten tehostaa nykypäivän aurinkokennojen muunnostehokkuutta", toteaa professori Jens Pflaum. Tällaisella edistyksellä on valtavat vaikutukset, sillä aurinkoenergia ja sen tuottaminen näillä kolmannen sukupolven kennoilla on tulevaisuuden hallitseva energialähde. Aiheesta aiemmin: |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.