Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie zijn nu in staat om het moment vast te leggen waarop minder dan een biljoenste van een seconde een lichtdeeltje een zonnecel raakt en energie wordt, en voor het eerst de fysica van de ladingsdrager en atoombeweging beschrijven.

De generatie en dissociatie van gebonden elektronen- en gatenparen, namelijk excitonen, zijn sleutelprocessen in zonnecel- en fotovoltaïsche technologieën, toch is het een uitdaging om hun aanvankelijke dynamiek en elektronische coherentie te volgen.

Met behulp van in de tijd opgeloste laagfrequente spectroscopie in het terahertz-spectrale gebied, de onderzoekers onderzochten de foto-excitaties van een nieuwe klasse van fotovoltaïsche materialen, bekend als organometaalhalogenide-perovskieten. Organometalen zijn wondermaterialen voor lichtoogsten en elektronische transportmiddelen, en ze combineren het beste van twee werelden:de hoge energieconversieprestaties van traditionele anorganische fotovoltaïsche apparaten, met de economische materiaalkosten en fabricagemethoden van biologische versies.

"Deze apparaten zijn zo nieuw en zo uniek dat het mechanisme waarmee een lichtdeeltje, of foton, converteert naar ladingsdragers en hoe ze op een gecoördineerde manier bewegen voor energieconversie is niet goed begrepen, en toch zijn dat de meest fundamentele processen in zonnecel- en fotovoltaïsche technologieën, " zei Jigang Wang, een Ames Laboratory-wetenschapper en universitair hoofddocent natuurkunde aan de Iowa State University. "Waarom is dit materiaal zo verschillend? Dat is de grote vraag in de wetenschappelijke gemeenschap, en het heeft geleid tot een koorts van onderzoek en publicatie."

Ames Laboratory-onderzoekers wilden niet alleen weten hoe de generatie en dissociatie van gebonden elektronen- en gatenparen, namelijk excitonen, gebeurde in het materiaal, ze wilden de kwantumroutes en het tijdsinterval van die gebeurtenis achterhalen.

"Als je kijkt naar het natuurlijke proces, bij fotosynthese, het is een uiterst efficiënt proces in sommige biologische moleculen, dus het is ook heel coherent. We zien iets soortgelijks in een door de mens gemaakt systeem van een laser; een laser oscilleert in een vast golfpatroon, " zei Wang. "Als we zo'n geheugen kunnen meten in het ladingstransport en energiemigratie in deze materialen, we kunnen het begrijpen en beheersen, en hebben het potentieel om ze te verbeteren door te leren van Moeder Natuur."

Conventionele multimeters voor het meten van elektrische toestanden in materialen werken niet voor het meten van excitonen, die elektrisch neutrale quasideeltjes zijn zonder stroom nul. Ultrasnelle terahertz-spectroscopietechnieken leverden een contactloze sonde op die hun interne structuren kon volgen, en kwantificeer de foton-tot-exciton-gebeurtenis met een tijdresolutie die beter is dan een biljoenste van een seconde.

Wang prees de bijdragen van onderzoekers uit meerdere expertisegebieden in het Ames Laboratory met het belang van de ontdekking. "Dit was alleen mogelijk met de medewerking van experts in materiaalontwerp en fabricage, computationele theorie, en spectroscopie, "zei hij. "Het hebben van die mogelijkheden op één plek maakt Ames Laboratory een van de meest toekomstgerichte plaatsen in dit soort onderzoek naar fotonische materialen."

Het onderzoek wordt verder besproken in een paper, "Ultrasnelle terahertz-snapshots van excitonische Rydberg-toestanden en elektronische coherentie in een organometaalhalogenide-perovskiet", geschreven door Liang Luo, Lange mannen, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Sinear, Joseph Sinear, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, en Jigang Wang; en gepubliceerd in Natuurcommunicatie .