Güneş gücü teknolojilerinde verimlilik sonlarını zorlayan bilim dünyası, tabiatın mikro ölçekteki işleyişine dair kıymetli bir sırrı gün yüzüne çıkardı. Cambridge Üniversitesi araştırmacıları, organik güneş hücrelerinde elektronların transfer edilme suratına yönelik dikkat cazip bir keşif gerçekleştirdi.

Nature Communications mecmuasında yayımlanan çalışma, moleküler titreşimlerin elektronları bir saniyenin katrilyonda biri kadar kısa bir müddette adeta karşı tarafa fırlattığını kanıtlıyor. Bu süreç, güneş ışığını elektriğe dönüştürme suratının bugüne kadar iddia edilen limitlerin çok üzerine çıkabileceğini gösterdi.

Geleneksel silikon panellerin yerini alması beklenen karbon tabanlı organik güneş hücreleri, düşük maliyetli yapılarıyla öne çıkıyor. Fakat bu hücrelerin en büyük handikabı, silikon rakiplerine nazaran verimliliklerinin düşük kalmasıydı. Olağan işleyişte güneş ışığı hücreye çarptığında “eksiton” ismi verilen bir güç paketi oluşuyor. Bu paket, verici ve alıcı katmanlar ortasındaki sonda ayrışarak elektriği açığa çıkarıyor. Güç kaybı yaşanmaması için moleküllerin birbirine çok sıkı kenetlenmesi gerekiyordu; bu durum da aygıtın voltaj kapasitesini kısıtlayan teknik bir pürüz oluşturuyordu.

Titreşimler mahzur olmaktan çıkıp araca dönüşüyor

Cambridge grubu, lazer darbeleri kullandıkları deneylerde TS-P3 isimli bir polimer üzerindeki elektron hareketlerini anlık takip altına aldı. Elde edilen datalar bilim insanlarını şaşırttı: Elektron transferi sırf 18 femtosaniye içinde tamamlandı. Bu müddet, tek bir molekülün titreşme süratiyle neredeyse birebir düzeyde seyrediyor. Birçok sistemde bu sürecin yüzlerce kat daha uzun sürdüğü biliniyor. Araştırmacılar, bu yüksek suratın bir tesadüf olmadığını, moleküler titreşimlerin elektronu hür bir sürüklenmeye bırakmak yerine eş vakitli bir itkiyle karşı tarafa aktardığını saptadı.

Araştırmanın ortak muharrirlerinden Pratyush Ghosh, bu süreci moleküler bir fırlatma düzeneğine benzetiyor. Titreşimler sürece yalnızca eşlik etmiyor, şahsen bu hareketi yöneten ana motor vazifesini üstleniyor. Verici moleküldeki titreşim elektronu iterken, alıcı molekülde tetiklenen misal hareketler bu transferin problemsiz tamamlanmasını sağlıyor.

Bu bulgular, güneş paneli dizaynında stratejik bir değişimin kapısını aralayabilir. Fizikçi Akshay Rao, bugüne kadar moleküler hareketleri kısıtlayıcı bir faktör olarak görüp bastırmaya çalıştıklarını fakat artık bu hareketleri bir avantaj olarak kullanabileceklerini vurguluyor.