Длину диффузии экситонов в полупроводящих полимерах увеличили в 20 раз

Британские химики разработали полупроводниковые полимерные нановолокна, в которых длина диффузии экситонов достигает 200 нанометров, что в 20 раз выше, чем в аналогичных материалах. В будущем такие материалы могут использоваться для повышения эффективности органических солнечных батарей, пишут ученые в Science.

Некоторые полимеры за счет наличия в своей структуре системы сопряженных двойных связей могут обладать проводящими или полупроводниковыми свойствами. Благодаря сопряженным связям электронная плотность в полимерной молекуле равномерно распределяется по ее длине, и электроны могут перемещаться по ней, переходя с одного атома на другой. Существуют и другие механизмы проводимости в полимерах — например, недавно ученые получили проводящий полимерный материал, который работает за счет наличия в системе большого количества свободно-радикальных групп, однако такие варианты встречаются значительно реже. Проводящие и полупроводниковые органические молекулы уже сейчас используются во многих электронных устройствах, однако из-за недостаточного контроля физических параметров они, как правило, уступают по эффективности неорганическим материалам.

Для повышения эффективности органических материалов в качестве светопоглощающих полупроводниковых элементов британские химики под руководством Иэна Мэннерса (Ian Manners) из Бристольского университета предложили увеличить в них длины диффузии экситонов — незаряженных квазичастиц, состоящих из возбужденного электрона, который двигается вокруг дырки, — которые образуются в результате облучения светом. Возможность переноса экситонов на достаточно большие расстояния от точки их образования дает возможность более эффективно использовать падающий на материал свет, повышая КПД его преобразования в электрическую энергию. Обычно в полимерных полупроводниках длина диффузии — расстояние, на которое может перемещаться квазичастица до момента своего исчезновения — не превышает 10 нанометров. Однако ученым удалось сделать такой полимерный материал, в котором эту величину можно увеличить более чем на порядок, до 200 нанометров.

Добиться этого химикам удалось за счет совмещения в двумерном композитном материале трех различных типов полимеров. Основу материала составило кристаллическое ядро из полидигексилфлуорена — полупроводникового полимера, который поглощает свет в синей части спектра (мономер этого соединения входит в семейство флуоренов — ароматических соединений, включающих в себя два шестичленных цикла и один пятичленный). К этому ядру с помощью ковалентных связей присоединялись подвижные боковые цепочки двух различных составов: либо полиэтиленгликоль, либо политиофен. При этом кристаллическое ядро и политиофеновые фрагменты за счет наличия сопряженных двойных связей могут проводить электрический ток, а полиэтиленгликоль — обладает свойствами диэлектрика.

С помощью метода кристаллизации на затравках ученые получили из этих полимеров одномерные композитные элементы длиной от 180 до 1840 нанометров. При этом последовательность стадий синтеза подбиралась таким образом, чтобы в середине образовавшейся частицы находился фрагмент, содержащий полиэтиленгликоль, а по краям — фрагменты с политиофеном. За счет такой геометрии в полимерном композите удалось разделить донорные и акцепторные участки, в результате чего свет поглощался в центре частицы и образовавшиеся экситоны двигались к ее краям до проводящих политофеновых фрагментов. В результате длина диффузии экситонов по полидигексилфлуореновому кристаллическому в некоторых частицах достигала примерно 200 нанометров. При этом двигались эти экситоны по полимеру довольно быстро: коэффициент диффузии экситонов в полимерном материале составлял до 0,5 квадратных сантиметров в секунду.

Ученые отмечают, что добиться таких значений для длины диффузии впервые удалось для монокристаллического полимерного материала с известной геометрией. По словам химиков, толщины материала в 200 нанометров достаточно для полного поглощения света падающего света, поэтому возможность переноса экситонов на такое расстояние позволит не ограничиваться в оптоэлектронных органических устройствах совсем тонкими светопоглощающими слоями.

Увеличение длины диффузии носителей заряда в полимерных материалах — одна из важных задач в повышении эффективности современных органических оптоэлектронных устройств. Для этого ученые предлагают использовать довольно сложные структуры. Например, недавно было предложено вводить в полимерный проводник отдельные молекулы фуллеренов, благодаря чему удалось увеличить длину диффузии электронов с долей микрометров до 3,5 сантиметров.

Александр Дубов