قام الفيزيائيون بإنشاء “منجنيق” إلكتروني يحرك الجزيئات عبر الخلايا الشمسية بسرعة قياسية

أظهرت دراسة جديدة أن الاهتزازات الجزيئية يمكنها “قذف” الإلكترونات عبر المواد الشمسية في أجزاء من كوادريليون من الثانية، وهو أسرع بكثير مما كان يُعتقد سابقًا.

يمكن أن تساعد النتائج العلماء على إيجاد طرق أكثر كفاءة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وفقا للدراسة التي نشرت في 5 مارس في المجلة. اتصالات الطبيعة.

“نحن نشاهد بشكل فعال هجرة الإلكترونات في نفس الساعة التي تتحرك فيها الذرات نفسها” ، مؤلف مشارك في الدراسة براتيوش غوشوقال الباحث الذي يدرس التحليل الطيفي فائق السرعة في جامعة كامبريدج في أ إفادة.

يستمر المقال أدناه

الجزيئات العضوية تتحول إلى الطاقة الشمسية

عضوي الخلايا الشمسية استخدام جزيئات الكربون، بدلاً من السيليكون، لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. من الناحية النظرية، يمكن للخلايا الشمسية العضوية أن توفر الكهرباء بتكلفة أقل من الخلايا الشمسية التقليدية، لكنها أقل كفاءة بكثير.

في الخلية الشمسية العضوية النموذجية، يتم وضع مانح الإلكترون ومستقبله بين قطبين موصلين. عندما يضرب الضوء الخلية، فإنه يولد “إكسيتون“، زوج من ثقب الإلكترون. تنقسم الإكسيتونات عند السطح البيني بين المانح والمستقبل، مما يولد الكهرباء.

لتحقيق نقل سريع للشحنة في الواجهة والحد من فقدان الطاقة، عادةً ما يكون لدى الجزيئات المانحة والمستقبلة اقتران إلكتروني قوي، أو تداخل بين حالاتها الإلكترونية، مما يسمح للشحنات بالتحرك بسهولة بين الجزيئات. غالبًا ما يكون بينهما أيضًا اختلاف كبير في الطاقة، لكن هذا يحد من الجهد المتاح من الجهاز.

في الدراسة الجديدة، لاحظ الباحثون نقل الشحنة فائق السرعة عند التقاطع بين مانح الإلكترون ومستقبله في خلية شمسية عضوية، دون الحاجة إلى التوافق مع أي من هذه القيود. استخدم الفريق نبضة ليزر قصيرة لإثارة المتبرع الإلكتروني، وهو بوليمر يسمى TS-P3، ثم استخدموا ليزرًا مختلفًا لقياس كيفية تغير النظام أثناء نقل الشحنة.

حدث نقل الشحنة هذا خلال 18 فيمتوثانية، أي بسرعة اهتزاز جزيء فردي. تُظهر بعض الأنظمة الأخرى التي ليس لديها قوى دافعة قوية نقلًا للشحنة يزيد عن 100 إلى 200 فيمتوثانية، لكن معظمها يستغرق ما بين عشرة إلى ألف مرة هذه المدة.

وقال غوش في البيان: “إن رؤية ذلك يحدث في هذا النطاق الزمني ضمن اهتزاز جزيئي واحد أمر غير عادي”.

“المنجنيق الجزيئي”

هذا الجدول الزمني المماثل لم يكن من قبيل الصدفة. وفي مجموعة ثانية من تجارب الليزر، وجد الفريق أن الاهتزازات في جزيء البوليمر المانح أطلقت إلكترونًا عبر الوصلة إلى جزيء مستقبل. عندما وصل الإلكترون، أثار اهتزازات متداخلة في الجزيء المستقبل. سمح هذا التداخل بنقل الشحنة بسرعة أكبر بكثير مما كان متوقعًا، ودون الحاجة إلى اقتران قوي أو فرق كبير في الطاقة.

وقال غوش في البيان: “بدلاً من الانجراف بشكل عشوائي، يتم إطلاق الإلكترون في انفجار واحد متماسك”. “إن الاهتزازات تعمل مثل المنجنيق الجزيئي. فالاهتزازات لا تصاحب العملية فحسب، بل إنها تقودها بشكل فعال.”

وكتب الباحثون في الدراسة أن النتائج تساعد في شرح العمليات التي تتحكم في سرعة نقل الشحنة ووضع استراتيجيات جديدة لتصميم خلايا ومواد شمسية عضوية أكثر كفاءة.

“بدلاً من محاولة قمع الحركة الجزيئية، يمكننا الآن تصميم المواد التي تستخدمها – تحويل الاهتزازات من قيد إلى أداة” ، مؤلف مشارك في الدراسة أكشاي راووقال عالم الفيزياء في كامبريدج في البيان.