Теперь, ученые, которые являются членами Центра Вычислительного Исследования взволновано-государственных Явлений в энергетических Материалах (C2SEPEM) новая энергия связанный с материалами научный центр, базирующийся в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), решили тайну, которая могла привести к прибыли в эффективности.Они точно определили источник сверхбыстрого и эффективного процесса, который порождает несколько перевозчиков электрического обвинения от единственной частицы света в органических кристаллах, которые являются неотъемлемой частью этой все более и более популярной формы солнечных батарей.
Этот процесс – названный «расщепление майки», потому что это сродни разделению атомных ядер в ядерном делении, чтобы создать два более легких атома из более тяжелого – открывает перспективу для того, чтобы существенно повысить эффективность органических солнечных батарей, быстро преобразовывая больше энергии солнечного света в электрические обвинения вместо того, чтобы терять его, чтобы нагреться.Исследовательская группа нашла новый механизм, объясняющий, как эта реакция может произойти в просто десятках фемтосекунд (quadrillionths секунды), прежде чем другие конкурирующие эффекты смогут ускользать своя энергия. Их исследование было опубликовано 29 декабря в журнале Physical Review Letters.«Мы на самом деле обнаружили новый механизм, который позволяет нам пытаться проектировать лучшие материалы», сказал Стивен Г. Луи, директор C2SEPEM, поддержанный САМКОЙ центр, который включает исследователей от Berkeley Lab; Калифорнийский университет, Лос-Анджелес; Техасский университет в Остине; и Технологический институт штата Джорджия.
Луи, соруководитель исследования, является также главным ученым способности в Подразделении Материаловедения Berkeley Lab и преподавателем физики в УКЕ Беркли. C2SEPEM сосредотачивается на развивающихся теориях, методах и программном обеспечении, чтобы помочь объяснить сложные процессы в связанных с энергией материалах.В сильном процессе сложная частица сочинила электрона, у которого есть отрицательный заряд, и его отверстие партнера – свободное электронное положение в строении атома материала, которое ведет себя как частица в переносе положительного заряда – быстро, преобразовывает в две пары электронного отверстия.
Это удваивает несущий обвинение потенциал в материале, избегая потери энергии как тепло.«Есть много, мы все еще не понимаем о фундаментальной физике этого процесса в прозрачных материалах, что надеемся пролить больше света на», сказал Джеффри Б. Нитон, заместитель директора C2SEPEM, кто co-led исследование с Луи.Neaton – также Объединенный Начальник лаборатории для энергетических Наук в Berkeley Lab, директоре Молекулярного Литейного завода Berkeley Lab и преподавателе физики в УКЕ Беркли. «Вычислительный метод, который мы разработали, очень прогнозирующий, и мы использовали его, чтобы понять расщепление майки по-новому, которое может позволить нам проектировать материалы, еще более эффективные при сборе урожая света, например».
Луи отметил, что много прошлых усилий сосредоточились всего на нескольких молекулах в материале – в этом случае, кристаллизованная форма pentacene, который состоит из водорода и углерода – чтобы узнать об этих экзотических эффектах. Но такие подходы, возможно, упростили эффекты ведущее расщепление майки.
«Было много теоретических усилий попытаться понять то, что продолжается», сказал он.В этом последнем исследовании исследовательская группа начала с крупномасштабного представления о полной структуре кристаллизованного pentacene, и особенно его симметрии – повторяющиеся образцы в его атомной структуре.«Это похоже на попытку объяснить океан или рассмотрением его молекула молекулой или рассмотрением целой волны», сказал Фелипе. да Хорнада, автор co-лидерства исследования с Сивэном Рефэели-Абрэмсоном.
Оба – постдокторские исследователи в Berkeley Lab и УК Беркли и также связаны с C2SEPEM.«Наш подход непосредственно захватывает целый кристалл», неважно, размер, отметил он.Команда использовала вычисления, выполненные частично на Молекулярном Литейном заводе Berkeley Lab и супервычислительных ресурсах при Национальном энергетическом Исследовании Лаборатории Научный Вычислительный центр, чтобы разработать, смоделировать, и проверить их новые теории процесса расщепления.«Мы полагаем, что эти теории могут также быть применены к совсем другим материалам», сказал Рефэели-Абрэмсон, «и в этом смысле, теория очень важна».
Предшествующие эксперименты пропустили некоторые важные подсказки о роли кристаллической структуры в механизме расщепления майки.Исследование приходит к заключению, что, чтобы эффективно удвоить эти пары электронного отверстия, выбранный материал должен показать определенный вид симметрии или повторенные комбинации молекул, в ее кристаллической структуре – как пол комнаты может показать множество простых, повторяющихся образцов, используя те же самые плитки.Эффективность процесса расщепления майки, кажется, полагается в большой степени на количество молекул, упакованных в каждом образце повторения или «мотиве» в кристалле, и на конкретном типе симметрии что, в котором есть вращение на 180 градусов и отражение этих мотивов.
Эти отношения между симметрией и эффективностью, исследователи нашли, позволяют им делать сильные предсказания на эффективности полного расщепления.Те предсказания могут только быть возможными, тем не менее, если пары электронного отверстия в образце ведут себя как подобные волне объекты, перемещающиеся всюду по целому кристаллу как волны в океане. Этот подход также дал им новое понимание о сильном процессе, и как недавно созданные пары должны вести себя как волны, размножающиеся в противоположных направлениях.
Есть все еще несколько шагов, которые должны быть разработаны, чтобы сделать эти результаты более относящимися к реальным заявлениям, исследователи отмеченный. В солнечных батареях, например, электроны должны быть эффективно освобождены от их соединения с отверстиями, чтобы получить их энергию и улучшить работу солнечной батареи.Понимание удвоения перевозчиков обвинения в материале может помочь исследователям лучше объяснить и спроектировать обратные процессы, также – такие как технология, используемая в некоторых дисплеях мобильных телефонов, который сокращает количество перевозчиков обвинения (процесс, известный как сплав тройки), сказал Нитон.Луи отметил, что мультидисциплинарная команда, которая была собрана для исследования, ключевого аспекта центра C2SEPEM, явилась неотъемлемой частью в представлении нового мышления, чтобы решить старую десятилетиями проблему.
«Это – одна из первых важных тем, к которым мы могли обратиться, и теперь она осуществилась», сказал он.