Las células solares ofrecen la oportunidad de cosechar abundantes, energía renovable. Aunque la luz de mayor energía se produce en el espectro ultravioleta y visible, la mayor parte de la energía solar está en el infrarrojo. Hay una compensación al cosechar esta luz, de modo que las células solares son eficientes en el infrarrojo pero desperdician gran parte de la energía disponible de los fotones más energéticos en la parte visible del espectro.

Cuando se absorbe un fotón, crea una única excitación electrónica que luego se separa en un electrón y un agujero cargado positivamente. independientemente de la energía luminosa. Una forma de mejorar la eficiencia es dividir la energía disponible de los fotones visibles en dos, lo que conduce a una duplicación de la corriente en la celda solar.

Investigadores de Cambridge y Mons han investigado el proceso en el que la excitación electrónica inicial puede dividirse en un par de excitaciones de media energía. Esto puede suceder en ciertas moléculas orgánicas cuando el efecto mecánico cuántico del espín del electrón establece que el estado inicial de espín 'singlete' sea el doble de la energía de la disposición alternativa de espín 'triplete'.

El estudio, publicado hoy en la revista Química de la naturaleza , muestra que este proceso de fisión singlete a pares de tripletes depende de manera muy sensible de las interacciones entre moléculas. Al estudiar este proceso cuando las moléculas están en solución, es posible controlar cuándo se activa este proceso.

Cuando el material está muy diluido, la distancia entre las moléculas es grande y no se produce la fisión singlete. Cuando la solución está concentrada, las colisiones entre moléculas se vuelven más frecuentes. Los investigadores encuentran que el proceso de fisión ocurre tan pronto como solo dos de estas moléculas están en contacto, y notablemente, esa fisión singlete es entonces completamente eficiente, de modo que cada fotón produce dos tripletes.

Este estudio fundamental proporciona nuevos conocimientos sobre el proceso de fisión singlete y demuestra que el uso de la fisión singlete es una ruta muy prometedora para mejorar las células solares. Los químicos podrán utilizar los resultados para fabricar nuevos materiales, dice el equipo del Laboratorio Cavendish de Cambridge, que actualmente están trabajando en formas de utilizar estas soluciones en dispositivos.

"Comenzamos volviendo a los fundamentos; mirando el desafío de la energía solar desde una perspectiva de cielo azul, "dijo el Dr. Brian Walker, investigador del grupo de optoelectrónica del Cavendish Lab, quien dirigió el estudio.

"La fisión singlete ofrece una ruta para aumentar la eficiencia de las células solares utilizando materiales de bajo costo. Apenas estamos comenzando a comprender cómo funciona este proceso, ya medida que aprendemos más, esperamos que sigan mejoras en la tecnología ".

El equipo utilizó una combinación de experimentos con láser, que miden los tiempos con extrema precisión, con métodos químicos utilizados para estudiar los mecanismos de reacción. Este enfoque dual permitió a los investigadores ralentizar la fisión y observar un paso intermedio clave nunca antes visto.

"Muy pocos otros grupos en el mundo tienen aparatos láser tan versátiles como el nuestro en Cambridge, "agregó Andrew Musser, un investigador que colaboró ​​en el estudio. "Esto nos permitió acercarnos un paso más a averiguar exactamente cómo se produce la fisión singlete".