Moleküler titreşimlerin, elektronları güneş enerjisi malzemeleri boyunca kadrilyoncu saniyelik hızlarda adeta 'sapanla' fırlatabildiği ortaya çıktı. Bu, daha önce düşünülenden çok daha hızlı bir transfer anlamına geliyor.
Yapılan yeni bir araştırmaya göre, bu bulgular bilim insanlarına güneş enerjisini elektriğe dönüştürmenin daha verimli yollarını bulma konusunda yardımcı olabilir. Bilimsel çalışma, 5 Mart'ta Nature Communications dergisinde yayımlandı.
Araştırmada yer alan ve ultrafast spektroskopi alanında çalışmalar yapan bir araştırmacı, "Elektronların, atomların kendi zaman ölçeğiyle aynı hızda hareket ettiğini gözlemliyoruz" açıklamasında bulundu.
Organik Moleküller Güneş Enerjisiyle Buluşuyor
Karbon bazlı molekülleri kullanarak güneş ışığını elektriğe dönüştüren organik güneş pilleri, silikon tabanlı pillere göre teorik olarak daha düşük maliyetle elektrik sağlayabilme potansiyeline sahip. Ancak şu ana kadar bu alanda verimlilik seviyeleri daha düşüktü.
Tipik bir organik güneş pilinde, ışığın hücreye çarptığında bir 'eksiton' (elektron-boşluk çifti) ürettiği bir yapı bulunur. Eksitonlar, elektron verici ve alıcı arasındaki arayüzde ayrılarak elektrik üretir.
Bu arayüzde hızlı şarj transferi sağlamak ve enerji kaybını sınırlamak için, verici ve alıcı moleküller genellikle güçlü elektronik kuplajlara sahiptir. Bu, yüklerin moleküller arasında kolayca hareket etmesini sağlar. Ancak bu durum, cihazdan elde edilebilecek voltajı sınırlar.
Yeni araştırmada, araştırmacılar bu kısıtlamalara uymak zorunda kalmadan, bir organik güneş pilindeki elektron verici ve alıcı arasındaki bir bağlantıda ultrafast şarj transferi gözlemlediler. Ekip, bir polimer olan TS-P3'ü uyarmak için kısa bir lazer darbesi kullandı ve ardından şarj transferi sırasında sistemin nasıl değiştiğini ölçmek için farklı bir lazer kullandı.
Bu şarj transferi 18 femtosaniyede gerçekleşti; bu, tek bir molekülün titreşim hızına yakındır. Güçlü bir itici güç olmadan şarj transferi gösteren birkaç sistem, 100 ila 200 femtosaniye aralığında transfer gerçekleştirirken, çoğu sistem bunun on ila bin katı daha uzun sürer.
Araştırmacı, "Bunu tek bir moleküler titreşim içinde bu zaman ölçeğinde gerçekleştiğini görmek olağanüstü" dedi.
'Moleküler Bir Sapan'
Bu benzer zaman ölçeğinin bir tesadüf olmadığı anlaşıldı. İkinci bir dizi lazer deneyinde, ekip polimer verici molekülündeki titreşimlerin, bir elektronu bağlantı üzerinden bir alıcı moleküle doğru fırlattığını buldu. Elektron geldiğinde, alıcı molekülünde örtüşen titreşimleri tetikledi. Bu örtüşme, güçlü kuplaj veya büyük bir enerji farkına gerek kalmadan şarj transferinin beklenenden çok daha hızlı gerçekleşmesini sağladı.
Araştırmacı, "Rastgele sürüklenmek yerine, elektron tutarlı bir patlama halinde fırlatılıyor. Titreşim sadece sürece eşlik etmiyor, aktif olarak yönlendiriyor" şeklinde konuştu.
Araştırmacılar, bu bulguların şarj transferinin hızını kontrol eden süreçleri açıklamaya yardımcı olduğunu ve daha verimli organik güneş pilleri ve malzemeleri tasarlamak için yeni stratejiler belirlediğini belirtti.
Araştırmada yer alan bir fizikçi, "Moleküler hareketi bastırmaya çalışmak yerine, artık titreşimleri kullanan malzemeler tasarlayabiliriz; titreşimleri bir sınırlamadan bir araca dönüştürebiliriz" dedi.
