Experimentell metodik och statiska absorptionsspektra för P3HT. a Den experimentella uppställningen för tidsupplöst mjuk röntgenspektroskopi. En 15 fs synlig pumppuls exciterar π→π*-övergången i P3HT, och en temporärt fördröjd attosecond mjuk röntgenpuls sonderar kol- och svavelabsorptionskanterna. b Det synliga absorptionsspektrumet för P3HT-proverna som används i detta arbete, och pumppulsspektrumet som är centrerat vid maximum av π→π*-resonansen i P3HT. c Ett typiskt mjukt röntgenspektrum som sträcker sig till ~330 eV (svart linje). Den röda linjen är röntgenabsorptionsspektrumet för P3HT-provet, absorptionsegenskaper vid svavel L1,2,3 och kol K-kanter löses samtidigt. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31008-w
Forskare har spårat de första bråkdelen av en sekund efter att ljus träffar solceller, vilket ger insikter om hur de producerar el.
Att undersöka de allra första ögonblicken i processen att omvandla ljus till elektricitet kan hjälpa forskare att förbättra nya solceller, så att de kan producera energi mer effektivt.
Metoden, utvecklad av forskare från Imperial College London, använder ultrasnabba lasrar och röntgenstrålar för att provocera fram en reaktion och sedan för att mäta de förändringar som den orsakar under bara femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund).
Nu har ett team av forskare vid Imperial och Newcastle University använt tekniken för att studera organiska fotovoltaiska material (OPV) som skördar solens strålar för att producera energi eller för att klyva vatten.
OPV-material är under intensiva studier eftersom de kan ge billigare förnybar energi. Men många av de material som används för närvarande är instabila eller ineffektiva, på grund av den komplexa interaktionen mellan elektroner som exciteras av ljus.
Närmare studier av de snabba interaktionerna mellan dessa elektroner, som skriften publicerad idag i Nature Communications som kombinerar snabb tidsupplösning med mätningar lokaliserade till atomer, ger värdefulla insikter om metoder för att förbättra solceller och katalysatorer.
Effektivare enheter
Professor Jon Marangos, från Institutionen för fysik vid Imperial, säger att "OPV är billiga och flexibla alternativ till kiselbaserade solceller, och är därför en attraktiv möjlighet att använda i framtida infrastruktur för solenergigenerering.
"Detta arbete visar kraften i vår nya tidsupplösta röntgenteknik, som nu kan tillämpas på ett bredare utbud av material och kan ge den förståelse som behövs för att göra effektivare OPV-enheter."
Teamet undersökte det första steget i solenergiomvandlingen - reaktionerna i materialet som orsakas av ljusets träffande. De avfyrade först en laserpuls som varade i 15 femtosekunder mot materialet för att excitera reaktionen. De följde detta med en röntgenpuls som varade i bara attosekunder (mindre än miljondelar av en miljarddels sekund), som mätte de resulterande förändringarna i materialet.
Snabbt utvecklande tillstånd
Teamet observerade, för första gången, direkta röntgensignaturer av materialets initiala tillstånd när elektroner slås ur position. Detta skapar ett elektron- och "hål"-par, som kan röra sig genom materialet.
Detta initiala tillstånd utvecklades snabbt till ett nytt, mer stabilt tillstånd på bara 50 femtosekunder. Beräkningar av professor Tom Penfold vid Newcastle University stämde väl överens med observationerna, som visade att det initiala tillståndet berodde på avståndet mellan molekylkedjor i materialet.
Dr. Artem Bakulin, från Institutionen för kemi vid Imperial, säger att "denna känslighet hos den tidsupplösta röntgenmetoden för den initiala elektrondynamiken som inträffar direkt efter excitation av ljus banar väg för nya insikter i fotofysiken i en bred utbud av organiska optoelektroniska och andra material."
Teamet planerar nu att utforska den ultrasnabba laddningsdynamiken i andra organiska halvledarmaterial, inklusive nyligen upptäckta material som använder olika molekyler som elektronacceptorer, vilket visar förbättrad OPV-effektivitet. + Utforska vidare
