Ученые обнаружили, что вибрирующие молекулы могут катапультировать электроны через солнечные материалы за фемтосекунды, тщательно переписывая правила планирования солнечной энергетики.
Художественная иллюстрация подключения переменной моды в процессах переноса электроны. Фото: Пратюш Гош.
Ученые обнаружили, что электроны могут перемещаться по солнечным материалам со скоростями, близкими к самой высокой скорости, допускающей окружающую среду, и этот вызывающий результат вызывает давно принятые представления о том, как работают солнечные энергетические системы.
Это открытие может открыть новые пути разработки технологий, которые более эффективно улавливают солнечный свет и преобразуют его в электричество.
В лабораторных экспериментах по отслеживанию событий длительностью всего 18 фемтосекунд (менее 20 квадриллионных долей секунд) исследователи из Кембриджского университета наблюдали распределение электрических зарядов во время одной молекулярной вибрации.
«Мы намеренно разработали систему, которая, согласно теории, не должна была зарядить заряд так быстро», — сказал он. сказал доктор Пратюш Гош, научный сотрудник Колледжа Святого Иоанна в Кембридже и первый автор исследования. «По общепринятым правилам разработка этой системы должна была быть медленной, и именно это дает такие поразительные результаты.
«Вместо беспорядочного дрейфа электрон зажигается одним когерентным всплеском. Вибрация действует как молекулярная катапульта. Вибрации не просто сопровождают процесс, они активно его стимулируют».
Наблюдение за движением электронов во временной шкале атомов
Фемтосекунда равна одной квадриллионной доли секунды. Одна секунда содержит примерно в восемь раз больше фемтосекунд, чем все часы, прошедшие с момента возникновения Вселенной. В таком невероятном временном масштабе атомы внутри молекул постоянно вибрируют.
Исследователи наблюдали, как электроны перемещаются между материалами практически с той же скоростью, что и атомные движения. Как объяснил Гош: «Мы фактически наблюдаем, как электроны мигрируют по тем же часам, что и сами атомы».
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications 5 марта 2026 года, бросает вызов давним инициативам в области солнечной энергетики. До сих пор по мнению ученых, сверхбыстрая передача заряда требует значительных изменений в энергии между материалами и электрической связью. Эти условия могут снизить эффективность за счет ограничения напряжения и увеличения потерь энергии.
Как свет создает энергию в солнечных материалах
Когда свет падает на многие материалы на основе пирамиды, он порождает связанный пакет энергии, называемый экситоном, — парный электрон и дырку. Для эффективной работы таких устройств, как солнечные элементы, фотодетекторы и фотокаталитические системы, эта пара должна быстро разделиться на свободные зарядные устройства.
Чем быстрее развивается разделение, тем меньше энергии тратится впустую. Это сверхбыстрое разделение играет решающую роль в том, что современные эффективные панели и другие технологии собирают солнечный свет в полезную энергию.
Чтобы выяснить, неизбежен ли этот компромисс, исследователи из Кембриджи намерены создать систему, которая, по их ожиданиям, была малоэффективной. Они поместили полимерный донор рядом с нефуллереновым акцептором почти без изменений в энергии и со слабыми взаимодействиями – условия, которые должны были значительно замедлить перенос заряда.
Вместо этого электрон пересек границу всего за 18 фемтосекунд. Эта скорость выше, чем у многих ранее изученных систем, и соответствует естественному ритму движения атомов. «Наблюдать, как это происходит в такой временной шкале в пределах одной молекулярной вибрации, невероятно», — сказал он. — сказал доктор Гош.
Молекулярные вибрации вызывают сверхбыстрое движение электронов
Эксперименты со сверхбыстрым лазером обеспечили механизм такого неожиданного результата. Когда полимер влияет на свет, он начинает вибрировать с высокочастотными колебаниями.
Эти вибрации изменяют электромагнитное состояние и эффективно выталкивают электрон через связь, создавая направленное баллистическое движение вместо медленной и случайной диффузии.
Как только электрон достигает молекулы-акцептора, он вызывает новую когерентную вибрацию. Этот характерный сигнал редко наблюдается в приведенных материалах и указывает на то, что в настоящее время быстро происходит перенос. «Эта когерентная вибрация является четким признаком того, что в настоящее время быстро и чисто происходит передача.
«Наши результаты показывают, что предельная скорость разделения зарядов определяется не только статической электронной структурой», — сказал он. — сказал доктор Гош. «Это зависит от того, как вибрируют молекулы. Это дает нам новый принцип проектирования. В каком-то смысле это дает нам новые правила книги. Вместо того, чтобы бороться с молекулярными вибрациями, мы можем научиться использовать финансовую энергию».
Значение для сбора солнечной энергии и света
Это открытие предлагает новые разработки, более эффективные технологии привлечения света. Сверхбыстрое зарядное устройство имеет основополагающее значение для таких систем, как органические солнечные элементы, фотодетекторы и фотокаталитические устройства, которые могут производить чистое водородное топливо. происходит постепенно и в природе во время фотосинтеза.
Профессор Акшай Рао, профессор физики Кавендишской лаборатории и бывший научный сотрудник колледжа Сент-Джонс, который был соавтором исследований, сказал: «Вместо того, чтобы попытаться подавить молекулярное движение, теперь мы можем создавать материалы, которые его используют, превращая перемещение из условий в инструмент».
В проекте принято участие ученых из Кавендишской лаборатории и химического факультета Юсуфа Хамида Кембриджского университета, в том числе доктора Ракеша Арула, научного сотрудника колледжа Святого Иоанна. В перенос также внесли своих сотрудников из Италии, Швеции, США, Польши и Бельгии.