在纳秒时间尺度上记录和测量光诱导移动电荷的新方法

由有机化合物生产的下一代太阳能电池已经证明了自己在满足未来能源需求方面的前景。然而，研究人员仍在努力深入了解这一过程中涉及的材料，包括它们将光转化为移动电荷(称为光电容)的有效性。

康奈尔大学化学和化学生物学系教授John Marohn领导的一个研究小组介绍了一种独特的技术，用于在异质太阳能电池材料的不同区域以纳秒时间尺度和纳米尺度长度记录和测量光诱导的移动电荷。

这项新技术涉及一个带电的微悬臂，由于与带电材料的相互作用，它的振荡相位发生了微小的偏移。Marohn将这项技术比作一个时钟如何受到电荷的影响，不可能实时看到差异，但当将该时钟与未受影响的时钟进行比较时，电荷的影响是明显的。

这两个钟每小时转一圈。B但由于与电荷的相互作用，一个会稍微前进。通过比较这两个时钟，你可以看到其中一个增加了一点角度。

John Marohn，康奈尔大学化学和化学生物学系教授

他们的论文“使用带电微悬臂梁作为门控机械积分器观察微秒光容瞬态”发表在6月9日的《科学进展》上^th．博士生瑞安·德怀尔和莎拉·内森是马罗恩的合作者，他们共同享有第一作者的荣誉。

该小组已经为他们为这项研究开发的技术申请了专利保护——相踢电作用力显微镜(pk-EFM)康奈尔大学美国的技术许可中心。

Marohn和他的团队正在研究重组的概念，这被认为是有机太阳能电池材料的低效率之一。当阳光照射在这种材料上时，它会产生自由电荷(带正电的空穴和带负电的电子)，这些电荷会转化为电流。然而，这些自由电荷中只有少数逃离电池并转化为电流;而那些没有转化为电流的分子会重新结合，副产品就是热量。

该小组在开发pk-EFM背后的推动力是指“看到”——或者更准确地说，测量——光爆发后电荷产生和重组的潜力。导电悬臂置于靠近有机半导体薄膜的位置;在悬臂上使用电压脉冲，同时对样品施加一个谨慎定时的光脉冲。

悬臂梁的振荡频率在一定程度上由于与样品中移动电荷的静电相互作用而改变。这些相互作用会导致相移，或研究人员称之为“相踢”。这种相移存在很长一段时间(几乎一秒)，因此比较容易以精确的方式测量。

研究人员研究了这种相移作为电压脉冲和光脉冲之间纳秒时间延迟的函数。通过这种方式，该团队能够间接地假设电荷在纳秒时间尺度上发生了什么，而不需要直接实时观察电荷。

我们想要的是一种方法来观察，在这些不同分子集中的微小区域，电荷是如何在样品的不同区域重新组合的。我们试着观察那些既非常快又非常小的物体。

约翰Marohn康奈尔大学化学与化学生物学系教授

在他们的工作中，研究人员正试图以更详细的方式研究有机体材料的光电容，这些材料此前已使用时间分辨电力显微镜进行了分析。未来的工作将集中于获得更好的时间和空间分辨率，以便最终确定哪种材料组合最有利于高效的太阳能发电。

太阳能电池工作正常，但我们并不真正了解它们是如何工作的。看起来，如果你真正了解它们是如何工作的，你就可以把它们做得更好。这是求它的一种方法。

约翰Marohn康奈尔大学化学与化学生物学系教授

国家科学基金会资助了这项研究。