Forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory kan nu fånga ögonblicket mindre än en biljonedel av en sekund som en ljuspartikel träffar en solcell och blir energi, och beskriv fysiken för laddningsbäraren och atomrörelsen för första gången.

Generering och dissociation av bundna elektron- och hålpar, nämligen excitoner, är viktiga processer inom solceller och solcellsteknologi, men det är utmanande att följa deras inledande dynamik och elektroniska sammanhang.

Använda tidsupplöst lågfrekvent spektroskopi i terahertz spektralområdet, forskarna undersökte foto-excitationerna av en ny klass av fotovoltaiska material som kallas organometalhalogenidperovskiter. Organometallics är underbara material för lättskörd och elektroniska transportanordningar, och de kombinerar det bästa av två världar - prestanda med hög energiomvandling för traditionella oorganiska solcellsanordningar, med de ekonomiska materialkostnaderna och tillverkningsmetoderna för ekologiska versioner.

"Dessa enheter är så nya och så unika att mekanismen genom vilken en partikel av ljus, eller foton, konverterar till laddningsbärare och hur de rör sig på ett samordnat sätt för energiomvandling är inte väl förstådd, och ändå är det de mest grundläggande processerna inom solcells- och solcellsteknologi, "sa Jigang Wang, en forskare från Ames Laboratory och docent i fysik vid Iowa State University. "Varför är detta material så distinkt? Det har varit den stora frågan i det vetenskapliga samfundet, och det har lett till feber av forskning och publicering. "

Ames laboratorieforskare ville inte bara veta hur generering och dissociation av bundna elektron- och hålpar, nämligen excitoner, hände i materialet, de ville ta reda på kvantvägarna och tidsintervallet för den händelsen.

"Om du tittar på den naturliga processen, i fotosyntes, det är en extremt effektiv process i vissa biologiska molekyler, så det är också väldigt sammanhängande. Vi ser en liknande sak i ett konstgjord system av en laser; en laser oscillerar i ett fast vågmönster, "sa Wang." Om vi ​​kan mäta ett sådant minne i laddningstransporten och energimigrationen i dessa material, vi kan förstå och kontrollera det, och har potential att förbättra dem genom att lära av Moder Natur. "

Konventionella multimetrar för mätning av elektriska tillstånd i material fungerar inte för mätning av excitoner, som är elektriskt neutrala kvasipartiklar utan nollström. Ultrasnabba terahertz -spektroskopitekniker gav en kontaktlös sond som kunde följa deras inre strukturer, och kvantifiera foton-till-excitonhändelsen med tidsupplösning bättre än en biljonedel av en sekund.

Wang tillskrev forskarnas bidrag från flera expertområden i Ames -laboratoriet betydelsen av upptäckten. "Detta var bara möjligt med samarbete från experter inom materialdesign och tillverkning, beräkningsteori, och spektroskopi, "sa han." Att ha dessa möjligheter på ett ställe är det som gör Ames Laboratory till en av de mest framåtblickande platserna inom denna typ av fotonisk materialforskning. "

Forskningen diskuteras vidare i en uppsats, "Ultrasnabba terahertz -ögonblicksbilder av excitoniska Rydberg -tillstånd och elektronisk koherens i en organometalhalogenidperovskit", författad av Liang Luo, Långa män, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, Joseph Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, och Jigang Wang; och publicerad i Naturkommunikation .