В полупроводниковых солнечных элементах свет преобразуется в заряженную пару электрона (отрицательный носитель) и дырку (положительный носитель) на границе раздела «pn переход» на двух полупроводниковых слоях в элементе. Донорные (питчинг электронов; p-тип) и акцепторные (захват электронов; n-тип) молекулы в каждом слое полупроводников обращены друг к другу как идеальный p / n-переход. Чтобы увеличить количество таких солнечных «батарей» в элементе, требуется большая площадь pn перехода, поэтому был разработан сложный pn переход «bulkhetero», который представляет собой складчатую поверхность раздела, подобную складкам.
В такой сложной структуре, как лабиринт, генерируемые носители трудно добраться до выходных электродов ячейки, потому что молекулы расположены примерно, другими словами, кристалличность низкая. Чтобы эффективно реализовать высокий перенос, носитель, электрон или дырка, должен делокализоваться между молекулами как волна материи. Упорядоченное расположение молекул раскрывает волновую природу переносчиков.
Исследователям из Института молекулярных наук (IMS), Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения (JASRI) и Токийского научного университета удалось создать органический полупроводниковый pn-переход с высокой степенью кристалличности. В процессе изготовления перехода молекулы акцептора (перфторпентацена) осаждались упорядоченным образом на монокристалл молекул донора (пентацена) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ). Электронные структуры кристаллического p-n-перехода наблюдались с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и показали, что слой акцепторных молекул формирует валентную зону, что свидетельствует об использовании волновой природы. Результат настоящего исследования показывает, что МПЭ позволяет получить кристаллический pn переход, который может выявить волновую природу как электронов, так и дырок.
Функции органических полупроводников могут быть настроены путем проектирования структур составляющих органических молекул. Технология изготовления кристаллических pn-переходов с использованием различных органических молекул позволяет нам реализовать новую концепцию органических солнечных элементов с высокой эффективностью преобразования энергии.