Новый материал поможет делать более дешевые солнечные батареи и электронику

Вторник, 23 Июля 2019
Новый материал поможет делать более дешевые солнечные батареи и электронику

Что, если бы можно было печатать фотопанели с помощью простого струйного принтера или просто нарисовать солнечную батарею на стене здания?

Такая технология позволит снизить стоимость производства электронных устройств и даст новые способы их интеграции в повседневную жизнь. За последние 20 лет для таких целей был разработан тип материала, называемый органическими полупроводниками, состоящий из молекул или полимеров. Но некоторые свойства этих материалов создают серьезные препятствия, которые ограничивают их широкое использование.

- В этих материалах электрон обычно связан со своим аналогом, отсутствующим электроном, известным как «дыра », и не может свободно двигаться. Так называемые «свободные электроны», которые свободно блуждают в материале и проводят электричество, являются редкими и не могут быть легко сгенерированы поглощением света. Это препятствует использованию этих органических материалов в солнечных панелях, потому что панели, созданные с этими материалами часто имеют плохую производительность, - отметил Вай-Лун Чан, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Канзаса.

Теперь две исследовательские группы во главе с Чаном и Хуэем Чжао, профессором физики и астрономии, эффективно сгенерировали свободные электроны из органических полупроводников в сочетании с одним атомным слоем дисульфида молибдена (MoS 2), недавно обнаруженным двухмерного (2-D) полупроводника.

Добавленный двумерный слой позволяет электронам выходить из «дыр» и свободно перемещаться. Результаты были опубликованы в журнале Американского химического общества.

За последние несколько лет многие изучали, как эффективно генерировать свободые заряды из гибридных органических 2-D интерфейсов.

- Одним из преобладающих предположений является то, что свободные электроны могут генерироваться на границе раздела, если электроны могут переноситься из одного материала в другой в течение относительно короткого периода времени - менее одной триллионной доли секунды. Тем не менее, мои аспиранты Тика Кафле и Бхупал Каттель и я обнаружили, что сверхбыстрого переноса электронов самого по себе недостаточно для генерации свободных электронов от света. Это потому, что «дыры» могут препятствовать электронам отходя от границы раздела. Может ли электрон освободиться от этой силы связи, зависит от локального энергетического ландшафта вблизи границы раздела, - сказал Чан.

Он отметил, что энергетический ландшафт электронов можно рассматривать как топографическую карту горы.

- Путешественник выбирает свой путь на основе контурной карты высоты. Точно так же движение электрона на границе раздела между двумя материалами контролируется энергетическим ландшафтом электронов вблизи границы раздела, - пояснил Чан.

Выводы Чана и Чжао помогут разработать общие принципы создания «ландшафта» для освобождения электронов в таких гибридных материалах.

Открытие было сделано путем объединения двух весьма взаимодополняющих экспериментальных инструментов на основе сверхбыстрых лазеров, фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением в лаборатории Чана и переходного оптического поглощения в лаборатории Чжао. Обе экспериментальные установки расположены в подвале Интегрированного научного здания.

В эксперименте по фотоэмиссионной спектроскопии с временным разрешением Кафле использовал ультракороткий лазерный импульс, который существует только в течение 10 квадриллионных долей (10-14) секунды, чтобы вызвать движение электронов. Преимущество использования такого короткого импульса в том, что исследователь точно знает время начала пути электрона. Затем Кафле использовал еще один ультракороткий лазерный импульс снова, чтобы поразить образец в точно контролируемое время относительно первого импульса. Этот второй импульс достаточно силен, чтобы выбить электроны из образца. Измеряя энергию этих электронов (в вакууме) и используя принцип сохранения энергии, исследователи смогли выяснить энергию электронов до того, как их выбили, и таким образом выявить путь этих электронов. Этот метод разрешил энергию возбужденных электронов при их перемещении по границе раздела после поглощения света . Поскольку за счет второго импульса могут высвобождаться только электроны вблизи передней поверхности образца, положение электрона относительно границы раздела также выявляется с атомной точностью.

В измерениях переходного оптического поглощения приглашенный студент Пэн Яо и выпускник Университета Канзаса Пеймон Зерешки, оба под руководством Чжао, также использовали двухимпульсную технику, причем первый импульс инициировал движение электронов таким же образом. При измерениях второй импульс выполняет мониторинг электронов.

Эти подробные измерения позволили восстановить траекторию движения электронов и определить условия, которые позволяют эффективно генерировать свободные электроны.

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе