Исследователи из Мичиганского университета нашли способ заставить электроны путешествовать намного дальше, чем это было ранее в материалах, часто используемых для органических солнечных элементов и других органических полупроводников.
— В течение многих лет люди относились к плохой проводимости органических веществ как к неизбежному факту, но мы показали, что это не всегда так, — отметили исследователи.
В отличие от неорганических солнечных элементов, широко используемых сегодня, органические вещества могут быть изготовлены из недорогих, гибких материалов на основе углерода, таких как пластик. Производители могут изготавливать рулоны из них в различных цветах и конфигурациях, чтобы наносить их на почти любую поверхность.
Однако, как известно, плохая проводимость органических веществ играет не в их пользу. Однако новое открытие может изменить правила игры. Полученные результаты подробно описаны в исследовании «Диффузия электронов в сантиметровом масштабе в фотоактивных органических гетероструктурах», опубликованном 17 января 2018 года в научном журнале Nature.
Тонкий слой молекул фуллеренов — любопытных круглых молекул углерода, также называемых бакиболами, позволяет электронам перемещаться на расстояние до нескольких сантиметров от точки, где выбивает фотон. В современных органических клетках электроны могут перемещаться только на несколько сотен нанометров или меньше.
Электроны, движущиеся от одного атома к другому, составляют электрический ток в солнечном элементе или электронном компоненте. Такие материалы, как кремний, используемые в современных неорганических солнечных элементах и других полупроводниках, имеют тесно связанные атомные сети, которые облегчают движение электронов по материалу.
Но органические материалы имеют гораздо более слабые связи между отдельными молекулами, которые могут захватывать электроны. Это ахиллесова пята органических веществ, но новое открытие показывает, что можно было бы настроить их проводящие свойства для конкретного применения.
Способность электрона двигаться более свободно в органических полупроводниках может иметь множество применений. Например, поверхность современных органических солнечных элементов должна быть покрыта проводящим электродом, который собирает электроны в точке, где они первоначально генерируются. Но свободно движущиеся электроны могут быть собраны далеко от места их возникновения. Это потенциально может дать возможность производителям сжать проводящий электрод в невидимую сетку, создавая прозрачные ячейки, которые могут использоваться на окнах и на других поверхностях.
Возможность дальней электронной транспортировки открывает множество новых возможностей в архитектуре устройств.
Открытие этого феномена произошло совершенно случайно, когда команда экспериментировала с органической архитектурой солнечных элементов в надежде повысить их эффективность. Используя общую технику, называемую вакуумным термическим испарением, они могут быть сформированы в тонкую пленку фуллеренов С60, каждая из которых состоит из 60 атомов углерода, поверх энергетического слоя органической ячейки, где фотоны от солнечного света выбивают электроны из их связанных молекул. Поверх фуллеренов наносится еще один слой, чтобы предотвратить утечку электронов.
Они обнаружили то, чего они никогда раньше не видели в органичных электронах, которые беспрепятственно распространялись через материал, даже вне энергетической области клетки. Через месяцы экспериментов они определили, что слой фуллеренов образует так называемую энергетическую скважину — область с низкой энергией, которая препятствует рекомбинации отрицательно заряженных электронов с положительными зарядами, оставленными в энергетическом слое. Ученые отметили, что это похоже на массивную антенну, которая может собирать заряд электрона из любой точки устройства.