Sciencemag.cz
Doporučujeme
Hezký titulek, ne? A co že se za ním vlastně skrývá?
Inovace optoelektronických polovodičových zařízení hodně závisejí na řízení pohybu nábojů a excitonů (párů elektron-díra). Při fotosyntéze molekuly pigmentu absorbují a přenášejí sluneční energii do reakčního centra, kde je dále přeměněna a využita. Start vlastní chemické reakce přitom vyžaduje rozdělovat páry elektron-díra. (Poznámka: Udržet skutečný gradient elektrického náboje, dalo by se asi říct, zabránit rekombinaci, to i viz dále.)
Na National Renewable Energy Laboratory se fotosyntézou inspirovali a vyvinuli trojvrstvu polovodičů se smíšenou dimenzionalitou (2D/1D/2D), která umožňuje efektivní disociaci excitonů, což by mělo mít zásadní význam pro výkon fotovoltaických systémů.
Materiály s nízkou dimenzionalitou představují dobrou možnost pro studium přenosu excitonů. Rozmanité a laditelné elektronické a optické vlastnosti materiálů, jako jsou dvojrozměrné (2D) dichalkogenidy přechodných kovů (TMDC) a jednorozměrné (1D) jednostěnné uhlíkové nanotrubičky (SWCNT), z nich činí hlavní kandidáty pro základní studie přenosu elektrického náboje a excitonů.
Tyto typy materiálů mají zesílené coulombovské interakce elektron-díra, kdy elektrostatická síla způsobuje přitažlivost mezi elektronem a dírou za vzniku excitonu. K oddělení nábojů je nutné překonat jejich přitažlivost, což je zde ztíženo velkými vazebnými energiemi. Velké vazebné energie excitonů (tj. energie potřebné pro jejich disociaci) brání generování elektrických proudů pro fotovoltaiku, fotodetektory a senzory nebo chemické vazby v solárních palivových systémech. Výzkumníci z NREL se proto snažili vyvinout trojvrstvu, která by tento problém řešila.
V nové studii se vědcům podařilo vytvořit světlem aktivované páry elektronů a děr a oddělit je na dobu delší než u dříve popsaných podobných systémů. Delší životnost separace náboje by mohla znamenat generování většího elektrického proudu, protože nedošlo k rekombinaci většího počtu elektronů a děr.
Při světlem indukovaném přenosu náboje se elektrony a díry pohybovaly opačným směrem v rámci celé kaskády „přechodů“.
Vytváření dvojvrstev a trojvrstev vychází ze snahy zvětšit vzdálenost mezi oddělenými náboji. Dosud však nebylo jasné, zda takto oddělené náboje nejsou přes rozhraní stále elektrostaticky vázány. Pokud by Coulombova interakce byla stále přítomna, mohlo by to snižovat dobu života oddělených nábojů. V navržené trojvrstvě byli autoři výzkumu schopni sledovat pohyb elektronů a děr postupně přes každou vrstvu a potvrdit, že již skutečně vzájemně vázány nejsou. Metodou sledování byla pump-probe spektrometrie umožňující sledovat samotnou disociaci excitonu i následný pohyb jeho oddělených částí.
Trojvrstva napodobuje přirozenou kaskádu přenosu náboje při fotosyntéze rostlin, která inspirovala její vývoj (viz výše). Klíčovou součástí heterostruktury je přitom 1D střední vrstva,
Alexis R. Myers et al, Ultrafast Charge Transfer Cascade in a Mixed-Dimensionality Nanoscale Trilayer, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c12179
Zdroj: National Renewable Energy Laboratory / Phys.org
