(Phys.org) — Dissipatie en decoherentie worden doorgaans als schadelijk beschouwd voor de efficiëntie van zonnecellen, maar in een nieuw artikel hebben wetenschappers aangetoond dat deze effecten paradoxaal genoeg de levensduur van het exciton in halfgeleidende koolstofnanobuisjes 50 keer langer maken dan voorheen, wat leidt tot een hoger algemeen rendement. De resultaten bieden nieuwe richtlijnen voor het verkennen van nieuwe fotovoltaïsche materialen die onverwacht hoge efficiënties kunnen bieden.

De wetenschappers, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, en Masatoshi Imada aan de Universiteit van Tokyo (Yamada is momenteel aan de Universiteit van Osaka), hebben een artikel gepubliceerd over de contra-intuïtieve verlenging van de levensduur van excitonen in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het principe van betere efficiëntie door energiedissipatie en decoherentie is al afgeleid door het fotosyntheseproces bij de chloroplasten, "auteurs vertelden" Phys.org . "Echter, het is tot nu toe bij speculatie gebleven."

Zoals de onderzoekers uitleggen, het begrijpen van deze verbetering vereist een microscopisch begrip van de manier waarop energie wordt omgezet van zonlicht in elektriciteit - of, in termen van deeltjes, van fotonen in excitonen, de laatste zijn gebonden toestanden van een elektron en een elektronengat.

In dit energieomzettingsproces wordt er is meestal een afweging als het gaat om de fotonabsorptiesnelheid van het fotovoltaïsche materiaal. Een hoge absorptiesnelheid is gunstig voor de eerste stap wanneer excitonen worden gegenereerd uit inkomende fotonen, maar schadelijk in een latere stap wanneer de elektronen en elektronengaten op verschillende elektroden moeten worden gescheiden. Helaas, voordat deze ladingsscheiding kan plaatsvinden, de hoge absorptiesnelheid zorgt ervoor dat meer van de excitonen snel weer recombineren tot fotonen, die weer in het milieu worden uitgestoten.

In de nieuwe studie de wetenschappers toonden aan dat er een manier is om de vruchten te plukken van een hoge absorptiesnelheid zonder de prijs later te betalen, omdat excitonrecombinatie kan worden onderdrukt door - heel verrassend - dissipatie en decoherentie. Normaal gesproken, deze twee effecten worden als schadelijk beschouwd voor de fotovoltaïsche efficiëntie:energiedissipatie betekent dat er wat energie verloren gaat aan het milieu; en vanwege decoherentie, de kwantumcoherentie tussen fotonen en excitonen die de generatie van excitonen helpt bevorderen, verliest zijn kwantum en wordt klassiek.

Ondanks deze nadelen, de onderzoekers hier toonden aan dat een zekere mate van dissipatie, gecombineerd met een optimale coëxistentie van coherentie en decoherentie, kan de levensduur van het exciton verlengen, zodat het voldoende tijd heeft om te scheiden in een elektron en een gat voordat recombinatie plaatsvindt.

"Normaal gesproken, het scheidingsproces duurt veel langer dan het recombinatieproces, " legden de auteurs uit. "Daarom, we moeten de levensduur van het exciton verlengen om te wachten tot het scheidingsproces werkt."

Om dit te doen, het mechanisme transformeert kortlevende "heldere excitonen" in langer durende "donkere excitonen, " die lang genoeg leven om te worden gescheiden in een elektron en een gat zonder te bezwijken voor recombinatie. De sleutel tot deze transformatie is dat dissipatie en decoherentie een wenselijke kwantum-naar-klassieke transformatie opleggen die dit proces onomkeerbaar maakt:een donkere exciton kan niet terug worden getransformeerd in een helder exciton.Zoals de onderzoekers uitlegden, dit uitzoeken was niet eenvoudig om te doen.

"Het kwantum-naar-klassieke crossover-proces, vergezeld van dissipatie, vormt de kern van moeilijke niet-evenwichtige veellichamenproblemen, en het oplossen ervan vereist het ontwikkelen van een efficiënt rekenhulpmiddel met een nieuwe theoretische formulering, " zeiden de auteurs. "Na het oplossen van de geformuleerde kwantumhoofdvergelijking, het principe van het optimaliseren van de decoherentie en dissipatie voor een betere efficiëntie is in het huidige werk vastgesteld. Het verwierp het gezond verstand dat betere efficiëntie moet worden nagestreefd in materialen met een betere 'kwantumopbrengst' die een hogere fotoluminescentiesnelheid hebben. Het geeft ons nieuwe richtlijnen."

Zoals de wetenschappers hebben uitgelegd, een deel van de reden waarom het recombinatieonderdrukkingsvoordeel van dissipatie en decoherentie tot nu toe onopgemerkt is gebleven, is dat het mechanisme paradoxaal genoeg een afname van de fotoluminescentie veroorzaakt, of lichtemissie, zodat een materiaal met deze effecten op het eerste gezicht weinig belovend lijkt als een fotovoltaïsch apparaat. Echter, de afname van fotoluminescentie is een gevolg van het feit dat het mechanisme heldere excitonen (die licht uitstralen) omzet in donkere excitonen (die dat niet doen). Dus hoewel meer donkere excitonen het materiaal donker laten lijken, ze stellen het materiaal in staat om licht met een hoog rendement om te zetten in elektriciteit.

"In de volgende stap we moeten dringend verduidelijken hoe de scheiding van het exciton in een elektron en een gat plaatsvindt met het transport ervan naar de tegenovergestelde elektroden om een ​​elektromotorische kracht te genereren, op voorwaarde dat hun recombinatie tot een foton wordt onderdrukt in het huidige mechanisme, " zeiden de auteurs. "Dit vereist een veel langer en complexer tijdsevolutieproces. Een andere onderzoeksrichting is natuurlijk het ontwerpen van een zonnecel met een beter rendement door gebruik te maken van de huidige principes en richtlijnen. Dit kan worden gedaan voor nieuwe kandidaten van materialen."

© 2015 Fys.org