Ученые обнаружили псевдочастицы, путешествующие по поверхности светочувствительных материалов - «Наука и технологии»

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT), работая совместно с учеными из Института Фрица Хабера (Fritz Haber Institute), Берлин, Германия, и университета Аальто (Aalto University), Хельсинки, Финляндия, сделали достаточно значимый шаг в направлении реализации технологий преобразования света в энергию, которую можно использовать на пользу людям. Совместными усилиями ученые изучили формирование и особенности передвижения так называемых поляритонов на поверхности окиси цинка. Эти квазичастицы перемещаются по поверхности светочувствительного материала, пока не достигают граничных областей, где их энергия преобразуется в электрическую или химическую энергию.

Процессы, преобразующие энергию света в энергию других видов, могут и постепенно становятся основой технологий, которые будут снабжать человечество энергией в ближайшем будущем. В течение миллиардов лет природа использовала подобные процессы в фотосинтезе, в результате которого при помощи света синтезируются углеводороды. Такие фотохимические процессы и явления уже изучены достаточно хорошо, однако тонкости процессов, лежащих в основе процесса фотоэлектрического преобразования света в электричество, находятся еще за гранью нашего понимания.

"Преобразование энергии фотонов, частиц света, в электрическую энергию происходит за несколько этапов" - объясняет профессор Кристоф Велль (Christof Woll), руководитель института Institute of Functional Interfaces (IFG), - "Во-первых, свет поглощается на поверхности светочувствительного материала. Под воздействием энергии фотонов света электроны покидают свои места, оставляя на своем месте электронные дырки, с которыми они тут же образуют квазичастицы, называемые поляритонами. Эти поляритоны существуют лишь очень короткое время, перемещаясь к границам материала, где они распадаются на электроны и дырки, которые продолжают перемещаться далее уже самостоятельно. И дальнейшая судьба этих носителей заряда уже зависит от природы используемого светочувствительного материала.

В большинстве материалов электронные дырки являются весьма нестабильными образованиями, всеми силами стремящимися вновь объединиться со свободными электронами. Но образование более стабильного поляритона, электронно-дырочной пары, позволяет переносить энергию по поверхности светочувствительного материала, пока она не будет преобразована в электрическую или химическую энергию.

В экспериментах, проведенных учеными KIT, была использована окись цинка, пластина светочувствительного материала, установленная внутри уникальной экспериментальной установки Infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS). Возможности этой установки позволили получить временную разрешающую способность на уровне 100 миллисекунд при наблюдениях процессов поглощения света, формирования, перемещения и преобразований поляритонов.

"Это очень важное открытие, которое было сделано в 2015 году, году, который назван Международным годом световых технологий (International Year of Light and Light-based Technologies)" - рассказывает профессор Велль, - "Мы надеемся, что наши исследования позволят ученым глубже понять происходящие в светочувствительных материалах процессы, на основе чего будут созданы новые высокоэффективные устройства преобразования солнечной энергии в электрическую".