(Phys.org) – Försvinnande och dekoherens anses vanligtvis vara skadligt för solcellseffektiviteten, men i en ny uppsats har forskare visat att dessa effekter paradoxalt nog gör excitons livslängd i halvledande kolnanorör 50 gånger längre än tidigare, vilket leder till en högre total effektivitet. Resultaten ger nya riktlinjer för att utforska nya solcellsmaterial som kan erbjuda oväntat hög effektivitet.

Forskarna, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, och Masatoshi Imada vid University of Tokyo (Yamada är för närvarande vid Osaka University), har publicerat en artikel om den kontraintuitiva livstidsförbättringen av exciton i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Principen om bättre effektivitet genom energiavledning och dekoherens har redan slutsatsen av fotosyntesprocessen vid kloroplasterna, " berättade författarna Phys.org . "Dock, det har varit spekulationer fram till nu."

Som forskarna förklarar, att förstå denna förbättring kräver en mikroskopisk förståelse av hur energi omvandlas från solljus till elektricitet – eller, när det gäller partiklar, från fotoner till excitoner, de senare är bundna tillstånd av en elektron och ett elektronhål.

I denna energiomvandlingsprocess, Det finns vanligtvis en avvägning när det kommer till fotonabsorptionshastigheten för det solcellsmaterial. En hög absorptionshastighet är fördelaktig för det första steget när excitoner genereras från inkommande fotoner, men skadligt i ett senare steg när elektronerna och elektronhålen måste separeras vid olika elektroder. Tyvärr, innan denna laddningsseparation kan inträffa, den höga absorptionshastigheten gör att fler av excitonerna snabbt rekombinerar tillbaka till fotoner, som släpps tillbaka till miljön.

I den nya studien, forskarna visade att det finns ett sätt att skörda frukterna av en hög absorptionshastighet utan att betala priset senare eftersom excitonrekombination kan undertryckas av – ganska överraskande – försvinnande och dekoherens. I vanliga fall, dessa två effekter anses vara skadliga för fotovoltaisk effektivitet:energiförlust innebär att en del energi går förlorad till miljön; och på grund av bristande sammanhållning, kvantkoherensen mellan fotoner och excitoner som hjälper till att främja excitongenerering förlorar sin kvantitet och blir klassisk.

Trots dessa nackdelar, forskarna här visade att en viss mängd förlust, kombinerat med en optimal samexistens av koherens och dekoherens, kan öka excitonens livslängd så att den har tillräckligt med tid att separera till en elektron och hål innan rekombination sker.

"I vanliga fall, separationsprocessen tar mycket längre tid än rekombinationsprocessen, " förklarade författarna. "Därför, vi måste förlänga excitons livslängd för att vänta tills separationsprocessen fungerar."

Att göra detta, mekanismen förvandlar kortlivade "ljusa excitoner" till längre livslängda "mörka excitoner, " som lever tillräckligt länge för att separeras i en elektron och ett hål utan att ge efter för rekombination. Nyckeln till denna transformation är att förlust och dekoherens påtvingar en önskvärd omvandling av kvant till klassisk som gör denna process irreversibel:en mörk exciton kan inte omvandlas tillbaka i en ljus exciton. Som forskarna förklarade, att komma på det här var inte lätt att göra.

"Den kvant-till-klassiska crossover-processen åtföljd av försvinnande är kärnan i svåra icke-jämviktsproblem med många kroppar, och att lösa det kräver att man utvecklar ett effektivt beräkningsverktyg med en ny teoretisk formulering, ", sa författare. "Efter att ha löst den formulerade kvantmästarekvationen, principen att optimera dekoherensen och spridningen för bättre effektivitet har fastställts i detta arbete. Det kullkastade den sunda förnuftets uppfattning att bättre effektivitet bör eftersträvas i material med bättre "kvantutbyte" som har en högre fotoluminescenshastighet. Det ger oss nya riktlinjer."

Som forskarna förklarade, en del av anledningen till att fördelen med rekombinationsundertryckande av dissipation och dekoherens har gått obemärkt förbi hittills är att mekanismen paradoxalt nog orsakar en minskning av fotoluminescensen, eller ljusemission, så att ett material med dessa effekter vid första anblicken skulle framstå som föga lovande som en solcellsapparat. Dock, minskningen i fotoluminescens är ett resultat av det faktum att mekanismen omvandlar ljusa excitoner (som avger ljus) till mörka excitoner (som inte gör det). Så även om fler mörka excitoner får materialet att se mörkt ut, det är de som gör det möjligt för materialet att omvandla ljus till elektricitet med hög effektivitet.

"I nästa steg, vi måste snarast klargöra hur separationen av excitonen till en elektron och ett hål sker med transporten av dem till de motsatta elektroderna för att generera en elektromotorisk kraft, förutsatt att deras rekombination till en foton undertrycks i den nuvarande mekanismen, ", sade författare. "Detta kräver en mycket längre och komplex tidsutvecklingsprocess. En annan forskningsinriktning är givetvis att designa en solcell med bättre effektivitet genom att utnyttja nuvarande principer och riktlinjer. Detta kan göras för nya materialkandidater."

© 2015 Phys.org