Американские учёные обнаружили новые свойства полупроводниковых материалов, которые могут привести к созданию эффективных и недорогих пластиковых солнечных батарей.

Физик Виталий Подзоров и его коллеги из Университета Ратджерса (США) первыми наблюдали, как экситоны — квазичастицы, которые образуются при поглощении фотонов полупроводниками, — путешествовали в органическом ПП рубрене на расстояние от двух до восьми микрон, что сравнимо с поведением экситонов в неорганических материалах — кремнии и арсениде галлия, используемых в солнечных элементах. Ранее наблюдалась диффузия всего на масштабе 20 нанометров.

В один прекрасный день солнечные элементы на основе этой технологии могут заменить кремниевые батареи.

Органические полупроводники очень перспективны не только для солнечной энергетики, но и других целей — к примеру, изготовления видеодисплеев, ибо их можно производить на больших листах, — подчёркивает г-н Подзоров. — Но ограниченная фотогальваническая эффективность не позволяет им развернуться. Мы ожидаем, что наше открытие станет новым стимулом к исследованию и использованию этих материалов».

Экситоны состоят из электрона с отрицательным зарядом и дыры, то есть положительного заряда. Они могут генерировать фотонапряжение, попадая на границу или стык полупроводника, после чего электроны движутся в одну сторону, а дырки — в другую. Если диффузия экситона составляет лишь десятки нанометров, то фотонапряжение может возникнуть только вблизи стыка или границы. Этим и объясняется низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую в органических элементах.

Хотя исключительно чистые кристаллы рубрена, изготовленные американскими физиками, пригодны только для проведения лабораторных экспериментов, исследования показывают, что ограничения органических полупроводников можно снять, разработав новые материалы.

Учёные обнаружили, что экситоны в кристаллах рубрена вели себя скорее как экситоны, наблюдаемые в неорганических кристаллах — экситоны Ванье — Мотта, которые представляют собою связанное состояние электрона проводимости и дырки в полупроводнике. Ранее специалисты полагали, что в органических полупроводниках был представлен более локализованный вид экситонов — экситоны Френкеля (возбуждение электронной системы отдельной молекулы). Экситоны Ванье — Мотта быстрее проходят через кристаллическую решетку.

Виталий Подзоров отмечает также, что его группой подготовлена новая методика измерения экситонов на основе оптической спектроскопии. Так как экситоны не связаны с переносом электрического заряда и массы, их трудно измерить с помощью обычных методов. Исследователи разработали технологию, которая диссоциирует экситоны на поверхности кристалла и вызывает большой фототок. Она может быть применима и к другим материалам.

Рис. 1. А эти полупрозрачные декоративные солнечные панели разработаны во Фраунгоферском институте в Мюнхене (ФРГ) (фото Fraunhofer Institute in Munich).

Результаты исследования будут опубликованы в журнале Nature Materials.

По материалам: