Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Ahora pueden capturar el momento en que menos de una billonésima de segundo una partícula de luz golpea una célula solar y se convierte en energía. y describir la física del portador de carga y el movimiento del átomo por primera vez.

La generación y disociación de pares de electrones y huecos ligados, a saber, excitones, son procesos clave en las tecnologías de células solares y fotovoltaicas, sin embargo, es un desafío seguir su dinámica inicial y su coherencia electrónica.

Usando espectroscopía de baja frecuencia resuelta en el tiempo en la región espectral de terahercios, los investigadores exploraron las fotoexcitaciones de una nueva clase de materiales fotovoltaicos conocidos como perovskitas de haluro organometálico. Los organometálicos son materiales maravillosos para la recolección de luz y los dispositivos de transporte electrónico, y combinan lo mejor de ambos mundos:el alto rendimiento de conversión de energía de los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos tradicionales, con los costos económicos de los materiales y los métodos de fabricación de las versiones orgánicas.

"Estos dispositivos son tan nuevos y únicos que el mecanismo por el cual una partícula de luz, o fotón, se convierte en portadores de carga y no se comprende bien cómo se mueven de manera concertada para la conversión de energía, y, sin embargo, ese es el proceso más fundamental en tecnologías de células solares y fotovoltaicas, "dijo Jigang Wang, un científico del Laboratorio Ames y profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Iowa. "¿Por qué este material es tan distinto? Esa ha sido la gran pregunta en la comunidad científica, y ha dado lugar a una fiebre de investigación y publicación ".

Los investigadores del Laboratorio Ames querían saber no solo cómo la generación y disociación de pares de electrones y huecos ligados, a saber, excitones, sucedió en el material, querían descubrir las vías cuánticas y el intervalo de tiempo de ese evento.

"Si miras el proceso natural, en la fotosíntesis, es un proceso extremadamente eficiente en algunas moléculas biológicas, por lo que también es muy coherente. Vemos algo similar en un sistema de láser hecho por el hombre; un láser oscila en un patrón de onda fijo, ", dijo Wang." Si podemos medir tal memoria en el transporte de carga y la migración de energía en estos materiales, podemos entenderlo y controlarlo, y tienen el potencial de mejorarlos aprendiendo de la madre naturaleza ".

Los multímetros convencionales para medir estados eléctricos en materiales no funcionan para medir excitones, que son cuasipartículas eléctricamente neutras sin corriente cero. Las técnicas de espectroscopía de terahercios ultrarrápidas proporcionaron una sonda sin contacto que pudo seguir sus estructuras internas, y cuantificar el evento de fotón a excitón con una resolución temporal mejor que una billonésima de segundo.

Wang atribuyó la importancia del descubrimiento a las contribuciones de investigadores de múltiples áreas de especialización en todo el Laboratorio Ames. "Esto solo fue posible con la colaboración de expertos en diseño y fabricación de materiales, teoría computacional, y espectroscopia, "Tener esas capacidades en un solo lugar es lo que hace que Ames Laboratory sea uno de los lugares más avanzados en este tipo de investigación de materiales fotónicos".

La investigación se analiza con más detalle en un documento, "Instantáneas ultrarrápidas de terahercios de estados excitónicos de Rydberg y coherencia electrónica en una perovskita de haluro organometálico", escrito por Liang Luo, Hombres largos, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, José Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, y Jigang Wang; y publicado en Comunicaciones de la naturaleza .