«Апостериори»: Перенос заряда может происходить на фемтосекундных масштабах благодаря колебаниям атомов

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики обнаружили, что перенос заряда в органических полупроводниковых материалах может происходить за время порядка 18 фемтосекунд – это около одной квадриллионной доли секунды. Такие временные масштабы сопоставимы с характерным временем колебаний атомов в молекулах. Результаты исследования, опубликованного 5 марта 2026 года в журнале Nature Communications, уточняют представления о механизмах переноса заряда в органических солнечных элементах. Это открытие может иметь большое значение для молекулярной электроники.

Органические солнечные элементы потенциально дешевле в производстве по сравнению с кремниевыми. Однако пока уступают им в эффективности. В основе работы таких систем лежит перенос заряда на границе между донорным и акцепторным материалами. При поглощении света образуется экситон – связанная пара электрона и «дырки», то есть отсутствующего электрона, который ведёт себя как положительно заряженная частица. Для работы солнечного элемента экситон должен разделиться на границе между донорным и акцепторным материалами: электрон переходит к акцептору, а «дырка» остаётся в доноре. Скорость этого процесса является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность работы устройства.

Ранее считалось, что для быстрого переноса заряда необходимы либо сильное перекрытие электронных состояний, либо значительное смещение энергетических уровней между донорным и акцепторным материалами. Однако оба этих условия накладывают ограничения на характеристики устройства. В частности, увеличение такого энергетического смещения облегчает перенос заряда, но сопровождается потерями энергии и, как следствие, может приводить к снижению выходного напряжения. Однако в новой работе исследователи показали, что быстрый перенос заряда возможен и без выполнения этих условий.

Эксперимент был проведён с использованием ультракоротких лазерных импульсов. Один импульс возбуждал донорный полимер TS-P3, а второй позволял отслеживать изменение состояния системы с временным разрешением в фемтосекундном диапазоне. Измерения показали, что перенос заряда на границе между донорным и акцепторным материалами происходит за время порядка 18 фемтосекунд. Для сравнения: в большинстве известных органических полупроводников этот процесс занимает от сотен фемтосекунд до пикосекунд.

По словам авторов, особенно важно, что этот временной масштаб совпадает с характерным временем колебаний атомов, составляющих молекулы. Дополнительные эксперименты показали, что именно эти колебания играют активную роль в процессе. При возбуждении донорного полимера колебания усиливаются. Это приводит к согласованному изменению электронных состояний, в результате чего электрон переносится к акцепторному материалу не случайным образом, а согласованно и значительно быстрее. После перехода электрона аналогичные колебательные процессы возникают и в акцепторной системе. Согласование этих колебаний дополнительно ускоряет перенос заряда.

Полученные результаты меняют традиционное представление о роли подобных колебаний. Ранее они рассматривались преимущественно как источник потерь энергии. Однако в данном случае они способствуют ускорению переноса заряда. Это открывает новые возможности для проектирования материалов. В частности, вместо подавления колебаний можно разрабатывать структуры, в которых они будут играть конструктивную роль. Такой подход может повысить эффективность органических солнечных элементов и других устройств, основанных на органических полупроводниках.