Обсуждаются механизмы фотоэффекта и генерации света в наноразмерных органических солнечных элементах и светодиодах, способные увеличить коэффициенты преобразования этих устройств.
Фотоэффект включает оптический переход с первоначальным образованием экситонов Френкеля (ЭФ) и последующую туннельную авто-ионизацию ЭФ в электрическом поле pn-перехода. Вероятность авто-ионизации экспоненциально возрастает с ростом напряженности поля, определяемой отношением ширины запрещенной зоны к толщине образца, так что квантовый выход фотоэффекта можно увеличить, уменьшая толщину фотоэлемента. Помимо ЭФ, в запрещенной зоне расположены уровни экситонов с переносом заряда (ЭПЗ), спектр которых с увеличением расстояния в электронно-дырочной паре сходится к зонам свободных носителей, а в противоположном пределе (электрон и дырка принадлежат одному узлу) соответствует энергии ЭФ. Разность энергий синглетных и триплетных ЭПЗ (со спином 0 и 1 соответственно) максимальна для ЭФ и равна нулю для свободных носителей тока, так что в спектре ЭПЗ всегда существуют пересечения S- и T-уровней ЭПЗ. В области пересечений происходит ST-конверсия, обеспечивающая излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар. Вероятность рекомбинации определяется параметром Ландау - Зинера, в котором и матричный элемент неадиабатического перехода и скорость прохождения области пересечения зависят от напряженности электрического поля, т.е. толщины элемента. В солнечных элементах ST-конверсия определяет рекомбинационные потери, так что уменьшение ее скорости увеличивает эффективность преобразования.
В светодиодах ST-конверсия ЭПЗ является промежуточной стадией электронно-дырочной рекомбинации, определяющей эффективность, спектр и характеристическое время излучения. Существует область полей, в которой вероятность этого механизма излучательной рекомбинации максимальна.
Указанные процессы передачи энергии и заряда рассмотрены в модели молекулярной цепочки, состоящей из фоточувствительных молекул со значениями параметров МЭ и ЭПЗ, измеренными в лабораторных образцах фотоэлементов и светодиодов. Собственные значения и собственные функции МЭ и ЭПЗ найдены из решения уравнений в конечных разностях для свободной цепочки и цепочки в однородном электрическом поле. Показано, что при типичных значениях диполь-дипольного взаимодействияи и его случайной составляющей, определяющих ширину экситонных зон и длину свободного пробега, движение МЭ происходит в виде некоррелированных прыжков между соседними узлами, когда время "оседлой" жизни на несколько порядков меньше времени распада. Напротив, динамика ЭПЗ определяется не движением экситона как целого (матричный элемент переноса мал пропорционально кубу обратного расстояния между электроном и дыркой), а его распадом за счет независимых перескоков электрона и дырки с изменением расстояния между ними.
Найденные зависимости коэффициентов преобразования от параметров МЭ и ЭПЗ могут быть полезными для поиска новых материалов и конструкций рассматриваемых устройств. Предсказывается увеличение квантового выхода фотоэффекта и уменьшение рекомбинационных потерь в цепочках, содержащих меньше 30 -40 молекул.
Основное положение доклада о взаимосвязи процессов передачи энергии и заряда вероятно применимо и к транспортным цепям в биологических системах.