Генерация и диссоциация связанных электронных и дырочных пар, а именно экситонов, являются ключевыми процессами в солнечных элементах и фотоэлектрических технологиях, однако проследить их исходную динамику и электронную когерентность сложно.
Используя низкочастотную спектроскопию с временным разрешением в терагерцовой области спектра, исследователи исследовали фотовозбуждения нового класса фотоэлектрических материалов, известных как металлоорганические галогенидные перовскиты.
Металлоорганические соединения – это удивительные материалы для светособирающих и электронных транспортных устройств, и они сочетают в себе лучшее из обоих миров – высокую эффективность преобразования энергии традиционных неорганических фотоэлектрических устройств с экономичными затратами на материалы и методами изготовления органических версий.
«Эти устройства настолько новы и настолько уникальны, что механизм, с помощью которого частица света или фотон превращается в носители заряда, и то, как они движутся согласованно для преобразования энергии, не совсем понятен, и тем не менее это наиболее фундаментальные процессы. в солнечных элементах и фотоэлектрических технологиях ", – сказал Цзиган Ван, ученый из лаборатории Эймса и доцент физики в Университете штата Айова. "Почему этот материал так отличается?
Это был большой вопрос в научном сообществе, и это привело к лихорадке исследований и публикаций."
Исследователи Лаборатории Эймса хотели знать не только то, как в материале происходит генерация и диссоциация связанных электронных и дырочных пар, а именно экситонов, они хотели выяснить квантовые пути и временной интервал этого события.
"Если вы посмотрите на естественный процесс фотосинтеза, это чрезвычайно эффективный процесс в некоторых биологических молекулах, поэтому он также очень согласован.
Мы видим то же самое в системе лазера, созданной человеком; лазер колеблется в фиксированной форме волны ", сказал Ван. "Если мы сможем измерить такую память в переносе заряда и миграции энергии в этих материалах, мы сможем понять и контролировать ее, а также сможем улучшить их, обучаясь у матери-природы."
Обычные мультиметры для измерения электрических состояний материалов не подходят для измерения экситонов, которые представляют собой электрически нейтральные квазичастицы без нулевого тока.
Сверхбыстрые методы терагерцовой спектроскопии позволили создать бесконтактный зонд, который мог следить за их внутренними структурами и количественно определять событие от фотона к экситону с временным разрешением лучше, чем одна триллионная секунды.
Ван отметил важность открытия, сделанного исследователями из разных областей лаборатории Эймса. «Это стало возможным только при сотрудничестве экспертов в области проектирования и изготовления материалов, теории вычислений и спектроскопии», – сказал он. "Наличие этих возможностей в одном месте – вот что делает лабораторию Эймса одним из самых перспективных мест в такого рода исследованиях фотонных материалов."