Используя сверхбыструю камеру, ученые говорят, что они наблюдали самые первые моменты после поглощения света искусственными, но органическими наноструктурами, и обнаружили, что заряды не только быстро формируются, но и очень быстро разделяются на больших расстояниях — явления, которые происходят из-за волнообразной природы. электронов, которые подчиняются фундаментальным законам квантовой механики.Этот результат удивил ученых, поскольку считалось, что такие явления ограничиваются «совершенными» — и дорогими — неорганическими структурами; а не мягкий, гибкий органический материал, который, по мнению многих, является ключом к дешевым солнечным элементам типа «roll-to-roll», которые можно печатать при комнатной температуре — мир, который сильно отличается от традиционной, но дорогостоящей обработки нынешних кремниевых технологий.Исследование, опубликованное сегодня в журнале Science, проливает новый свет на загадочный механизм, который позволяет эффективно разделять положительные и отрицательные заряды — важный вопрос, который продолжает озадачивать ученых — и приближает исследователей к эффективному воспроизведению высокоэффективной способности. собирать солнечный свет и преобразовывать его в энергию, а именно фотосинтез, который в естественном мире развивался на протяжении тысячелетий.
«Это очень удивительный результат. Такие квантовые явления обычно ограничиваются совершенными кристаллами неорганических полупроводников, и никто не ожидает увидеть такие эффекты в органических молекулах, которые очень неупорядочены и имеют тенденцию напоминать тарелку приготовленных спагетти, а не кристалл », — сказал д-р Саймон Гелинас. из Кембриджской лаборатории Кавендиша, который руководил исследованием с коллегами из Кембриджа, а также из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.В течение первых нескольких фемтосекунд (одна миллионная от одной миллиардной секунды) каждый заряд распространяется по нескольким молекулам, а не локализуется на одной. Это явление, известное как пространственная когерентность, позволяет заряду очень быстро перемещаться на несколько нанометров и ускользать от противоположно заряженного партнера — начальный шаг, который, по-видимому, является ключом к генерации долгоживущих зарядов, говорят исследователи.
Затем его можно использовать для выработки электричества или для химических реакций.Тщательно спроектировав способ упаковки молекул, команда обнаружила, что можно настроить пространственную когерентность и усилить — или уменьшить — это разделение на большие расстояния. «Возможно, самое главное, что результаты показывают, что, поскольку процесс настолько быстр, он также является энергоэффективным, что может привести к большему количеству энергии из солнечного элемента», — сказал доктор Акшай Рао, соавтор исследования из Кавендишской лаборатории.Доктор Алекс Чин, возглавлявший теоретическую часть проекта, добавил, что, если вы посмотрите за пределы последствий исследования для органических солнечных элементов, это явная демонстрация того, «как фундаментальные квантово-механические процессы, такие как когерентность, играют важную роль. играет решающую роль в неупорядоченных органических и биологических системах и может быть использован в новых квантовых технологиях ».