Объединённая группа физиков из США, Германии, Италии и Испании провела серию экспериментов, показавших, что сгруппированные однослойные углеродные нанотрубки можно использовать при изготовлении фотогальванических элементов.

По замыслу учёных, нанотрубки в будущем сделают гибкие, лёгкие и не слишком дорогие тонкоплёночные фотоэлементы более эффективными. Сейчас рост их эффективности сдерживает то, что в преобразовании энергии задействуются разные материалы: чтобы устройство работало, экситоны (связанные состояния электрона и дырки), которые создаются при поглощении фотонов падающего излучения, должны «мигрировать» в соседний слой, где происходит разделение зарядов. До последнего этапа доходят не все экситоны, вследствие чего характеристики элементов ухудшаются.

«Связки» нанотрубок решают обе задачи — могут и создавать экситоны, и разделять заряды. Чтобы доказать это, авторы, используя ультрацентрифугу, создали блоки нанотрубок, сгруппированных по диаметру и типу закрутки, и отобрали те, которые охотно поглощали свет на длине волны в ~570 нм. На отобранные «связки» воздействовали лазерным излучением, а затем снимали спектры образцов.

Рис. 1. Разделение зарядов в «связке» нанотрубок, попавших под внешнее облучение (иллюстрация J. Crochet / Los Alamos National Lab).

В результате выяснилось, что следы экситонов содержатся в спектрах как одиночных, так и объединённых в блоки нанотрубок, но дополнительный пик, свидетельствующий о появлении свободных носителей заряда, характерен только для «связок». Разделение зарядов во втором случае происходит на стыках соседних трубок.

Теперь исследователи пытаются сконструировать действующее фотогальваническое устройство, которое использует сгруппированные нанотрубки для преобразования энергии.

«Теория этого преобразования и эффективной диссоциации экситонов проработана, к сожалению, недостаточно хорошо, — замечает сотрудник Колумбийского университета Тони Хайнц (Tony Heinz). — Но эксперименты всё равно кажутся перспективными, так как нанотрубки удобны, надёжны и недороги».

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Jared J. Crochet, Sajjad Hoseinkhani, Larry Lüer, Tobias Hertel, Stephen K. Doorn, and Guglielmo Lanzani Free-Carrier Generation in Aggregates of Single-Wall Carbon Nanotubes by Photoexcitation in the Ultraviolet Regime. – Physical Review Letters. – 107. – 257402 (2011) [5 pages].