Ученые предложили новый подход в создании органических солнечных панелей и гибкой электроники

Вермонтский университет

Ученые Университета штата Вермонт (UVM) предложили новый способ создавать то, что они называют «электронная супермагистраль» в органическом полупроводнике. В перспективе это позволит электронам перемещаться быстрее, более того — поможет в создании гибкой электроники, органических элементов солнечных панелей и других дешевых альтернатив кремнию. Для того чтобы разрабатывать эти органические материалы, студенты последнего курса UVM (на фото слева направо) Навин Рават (Naveen Ravat) и Лэйн Мэннинг (Lane Manning) и профессора Рэнди Хидрик (Randy Headrick) и Мэдалина Фурис (Madalina Furis) использовали настольный лазерный сканирующий микроскоп. Их недавнее открытие, о котором сообщалось в журнале Nature Communications, в будущем — и этот день недалек — позволит свернуть компьютер в рулон, как лист бумаги.

Но фундаментальная наука пока не дает ответа на вопрос, как заставить электроны двигаться свободнее и быстрее.

Пытаясь решить эти проблемы, Мэдалина Фурис и группа ученых-материаловедов из UVM изобрели новый способ формировать «электронную супермагистраль» в одном из таких материалов — дешевом синем красителе, называемым фталоцианином, а также в органических полупроводниках. Электронная супермагистраль позволяет электронам двигаться с большей скоростью.

Открытие ученых из UVM поможет найти альтернативы традиционной электронике, основой которой является кремний.

Многие типы подобных гибких электронных приборов будут иметь в своей основе тонкие пленки из органических материалов, чувствительных к солнечному свету и преобразующих его энергию в электрический ток, используя возбужденные состояния в материале, которые называются экситонами. Грубо говоря, экситон — это связанный электрон с дыркой, образованной в результате его перемещения. Увеличение расстояния, на которое экситоны могут диффундировать прежде, чем достигнут перехода, где они распадаются на части, чтобы создался электрический ток, — является основой для повышения эффективности органических полупроводников.

Используя новый метод визуализации, исследователи из UVM смогли видеть наноразмерные дефекты и границы между кристаллическими зернами фталоцианина — это важно при формировании электронной магистрали.

Для того чтобы обнаружить подобные дефекты, исследователи из UVM при поддержке Национального фонда науки построили сканирующий лазерный микроскоп «размером со стол». В этом приборе используется специальная форма линейно поляризованного света и фотолюминесценция для оптического зондирования молекулярной структуры кристаллов фталоцианина.
Новая методика позволяет исследователям лучше понять, как расположение молекул и границ в кристалле влияет на перемещение экситонов. Именно эти границы, формирующие «барьер для диффузии экситонов», визуализируют исследователи.

При изучении увеличенного изображения удалось выяснить, что «этот энергетический барьер может быть полностью ликвидирован». Ученые особенно тщательно контролируют процесс нанесения тонких пленок. Исследователи используют новый метод «запись карандашом» с пустым капилляром в лаборатории физики и материаловедения UVM профессора Рэнди Хидрика для того, чтобы успешно формировать пленки с крупными кристаллическими зернами и «малыми угловыми границами».

Хотя в публикации в журнале Nature Communications рассмотрены результаты экспериментов только с одним материалом — фталоцианином, описанный способ исследования подойдет и для изучения многих других типов органических веществ, которые могут быть использованы для изготовления солнечных панелей с улучшенными характеристиками. В недавно опубликованном Министерством энергетики США докладе определено одно из фундаментальных препятствий на пути создания технологии изготовления высокоэффективных солнечных панелей: «выявление механизмов, управляющих миграцией поглощенной энергии (экситон) внутри системы до того момента, когда происходит расщепление на заряды, которые преобразуются в электричество».

В новом исследовании, которое проводят студенты Женвен Пэн и Навин Рават, работающие под руководством профессора Фурис, найден способ увидеть, каким образом происходит увеличение «порядка длины пути» в пленках из органического полупроводника, что является ключевым механизмом, позволяющим экситонам передвигаться на большие расстояния.

Несмотря на то что экситоны имеют нейтральный заряд и не могут перемещаться под воздействием напряжения подобно электронам в лампе накаливания, они способны в некотором смысле «перепрыгивать» в плотной стопке молекул из одной молекулы в соседнюю. Это делает возможным переносить энергию в тонких органических пленках по молекулярной магистрали достаточно легко, хотя буквально электрический заряд не перемещается.