Учёные раскрыли механизм ультрабыстрой передачи заряда в молекулах красителей для солнечных батарей

Физики Антоньетта Де Сио (справа) и Сомайе Сури готовят свой эксперимент на основе фемтосекундных лазерных импульсов. Автор: University of Oldenburg / Marcus Windus

Будь то в солнечных элементах или в человеческом глазу, когда определённые молекулы поглощают свет, электроны внутри них переходят из основного состояния в возбуждённое состояние с более высокой энергией. Это приводит к переносу энергии и заряда, вызывая разделение зарядов и, в конечном итоге, генерацию электричества.

Международная команда учёных под руководством доктора Антоньетты Де Сио и профессора доктора Кристофа Линау из исследовательской группы «Ультрабыстрая нанооптика» Университета Ольденбурга (Германия) теперь наблюдала самые ранние этапы этого процесса в сложной молекуле красителя. Как сообщают исследователи в журнале Nature Chemistry, высокочастотные колебания атомных ядер внутри молекулы играют центральную роль в этом светоиндуцированном переносе заряда.

Их эксперименты показали, что силы, которые эти колебания оказывают на электроны, инициируют перенос заряда, тогда как процессы в окружающем растворителе, которые ранее считались инициаторами переноса заряда, начинаются лишь на более поздней стадии.

«Наши выводы дают новое понимание для лучшего объяснения переноса заряда, например, в органических солнечных элементах, и могут способствовать разработке более эффективных материалов», — подчёркивает Де Сио.

Исследуемый краситель был синтезирован группой исследователей под руководством профессора доктора Петера Бойерле из Ульмского университета, также в Германии. Этот тип молекулы красителя является основным компонентом пластика, используемого в органических солнечных элементах для преобразования солнечного света в электричество.

«Молекулы состоят из трёх частей — центрального ядра, соединённого с двумя идентичными группами, одна справа и одна слева», — объясняет Де Сио.

Ядро молекулы является донором электронов — материалом, который легко отдаёт электроны. Две внешние группы, напротив, могут принимать возбуждённые электроны. Они известны как акцепторы электронов. При световом возбуждении электроны, теоретически, могут перемещаться к любой из двух принимающих единиц — правой или левой.

Этот процесс, известный как нарушение симметрии в возбуждённом состоянии, вызывает характерное смещение цвета света, излучаемого молекулой — эффект, называемый сольватохромизмом, — превращая его из синего в красный. Однако микроскопический механизм, запускающий начальное нарушение симметрии, до сих пор в значительной степени был неизвестен.

Команда из Ольденбурга решила внимательнее изучить процесс нарушения симметрии. Аспиранты Катрин Винте и Сомайе Сури использовали методы сверхбыстрой лазерной спектроскопии с временным разрешением менее 10 фемтосекунд (одна фемтосекунда равна одной миллионной доле миллиардной доли секунды) для возбуждения молекул красителя. С помощью этого метода они смогли отследить движения электронов и ядер в первые тысячу фемтосекунд после светового возбуждения.

Исследовательская группа обнаружила, что лазерные импульсы вызывают высокочастотные колебания между атомами молекулы красителя в течение первых 50 фемтосекунд после фотовозбуждения. Автор: University of Oldenburg / Marcus Windus

Их эксперименты показали, что лазерные импульсы вызывают высокочастотные колебания между атомами молекулы красителя в течение первых 50 фемтосекунд после фотовозбуждения.

«Атомы углерода внутри молекулы начинают вибрировать», — уточняет Де Сио.

Эти колебания изменяют энергетические состояния внутри молекулы, создавая предпочтительное направление движения для возбуждённых электронов. Напротив, молекулы окружающей растворительной среды кажутся «замороженными» в этом временном масштабе — только в более медленном масштабе в несколько сотен фемтосекунд они также реорганизуются и стабилизируют процесс нарушения симметрии, так что молекула переходит в новое состояние, которое производит характерное смещение в излучаемом цветовом спектре.

Чтобы подтвердить эти неожиданные результаты, исследователи повторили эксперимент с другим растворителем, в котором сольватохромизм — взаимодействие между красителем и растворителем — не происходит. Тем не менее, и здесь наблюдались начальные внутримолекулярные колебания.

Квантово-химическое моделирование, проведённое в сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в США и Университета Бремена в Германии, подтвердило экспериментальные результаты.

«Наши выводы предоставляют убедительные доказательства доминирующей роли вибронного связывания с высокочастотными молекулярными колебаниями, а не флуктуациями растворителя, как основного драйвера ультрабыстрого нарушения симметрии в квадрупольных красителях», — объясняет Линау и добавляет, что этот механизм может также применяться к твёрдотельным материалам и наноструктурам.

«Контроль взаимодействия зарядов с молекулярными колебаниями и с окружающей средой критически важен для технологических применений этих материалов», — указывает Де Сио. «Таким образом, наши результаты могут иметь значительные последствия для проектирования эффективных светочувствительных материалов, а также для продвижения нашего понимания светоиндуцированного транспорта заряда в наномасштабных системах».

Больше информации: Vibronic coupling-driven symmetry breaking and solvation in the photoexcited dynamics of quadrupolar dyes, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01908-7

Источник: University of Oldenburg