Приложения исследования включают более энергоэффективное освещение и фотодетекторы с 200-процентной эффективностью, которые можно использовать для ночного видения. Биология может использовать синглетное деление для борьбы с солнечными фотонами высокой энергии без выделения избыточного тепла в качестве защитного механизма.
В настоящее время солнечные элементы работают, поглощая фотон, который генерирует экситон, который впоследствии разделяется на пару электрон-дырка. Именно эти электроны становятся солнечным электричеством. Однако эффективность этих солнечных элементов ограничена примерно 32 процентами из-за того, что называется «пределом Шокли-Кайссера». Будущие солнечные элементы, также известные как солнечные элементы «третьего поколения», должны будут превзойти этот предел, оставаясь при этом недорогими, что потребует использования новых физических процессов.
Синглетное деление является примером такого процесса.«Наше исследование было начато около десяти лет назад, когда мы начали думать о солнечной энергии и о том, какие новые типы фотофизики для этого могут потребоваться», — сказал Кристофер Бардин, профессор химии, чья лаборатория руководила исследованием. «Проблемы глобального потепления и энергетическая безопасность сделали преобразование солнечной энергии важной темой с точки зрения общества. Более эффективные солнечные элементы приведут к более широкому использованию этого чистого источника энергии».
Детали исследованияКогда фотон поглощается, его энергия принимает форму экситона внутри материала.
Бардин объяснил, что экситоны бывают двух «разновидностей», определяемых спинами электронов в них. Один аромат — синглет, где все вращения спарены. Другой аромат — триплет, где два электрона неспарены. В органических полупроводниках эти два типа экситонов имеют разные энергии.
«Если триплетный экситон имеет половину энергии синглета, то один синглетный экситон, генерируемый одним фотоном, может разделиться на два триплетных экситона», — сказал Бардин. «Таким образом, у вас может быть 200-процентный выход экситонов — и, надеюсь, электронов — на поглощенный фотон».Он объяснил, что предел Шокли-Кайссера включает поглощение фотонов для создания экситона, который в основном представляет собой связанную пару электронов (- заряд) и дырки (+ заряд).
Чтобы получить полезный электронный поток (фототок), эти экситоны должны быть диссоциированы. В идеале один экситон производит один электрон (дырку) и, таким образом, ток, чтобы запустить, скажем, электрическую лампочку.
«Чтобы поглотить фотон, энергия фотона должна быть больше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, поэтому вы уже упускаете часть солнечного спектра», — сказал Бардин. «Но если вы поглощаете фотон с энергией выше ширины запрещенной зоны, у него слишком много энергии, и эта избыточная энергия обычно тратится на тепло. Хитрость заключается в том, чтобы взять этот экситон с высокой энергией и разделить его на два экситона, а не рассеивать это как тепло ".Бардин объяснил, что синглетный экситон спонтанно распадается на два триплета посредством механизма, который все еще активно исследуется.«Точный механизм неизвестен, но это происходит быстро — в субнаносекундном масштабе времени — и с высокой эффективностью», — сказал он. «Наша работа показала, что он очень чувствителен к выравниванию и положению двух молекул — требуется как минимум две, поскольку у нас есть два экситона — участвующих в синглетном делении.
Недавняя работа в Массачусетском технологическом институте уже продемонстрировала органический фотоэлектрический элемент с более чем 100-процентной внешней квантовой эффективностью, основанной на этом эффекте. Возможно, удастся интегрировать этот эффект с неорганическими полупроводниками и использовать его для повышения их эффективности ».
Затем лаборатория Бардина будет искать новые материалы, демонстрирующие синглетное деление, выяснять, как эффективно использовать триплетные экситоны и превращать их в фототок, и изучать, как спиновые свойства электронов влияют на динамику экситонов.