Las células solares de próxima generación fabricadas a partir de compuestos orgánicos son muy prometedoras para satisfacer las necesidades energéticas futuras. pero los investigadores todavía se esfuerzan por obtener una comprensión profunda de los materiales involucrados, incluida la eficiencia con la que convierten la luz en carga móvil, conocido como fotocapacidad.

Un grupo de investigación de Cornell dirigido por John Marohn, profesor del Departamento de Química y Biología Química, ha propuesto un método único para registrar y medir la carga móvil inducida por la luz, en longitudes de nanoescala y escalas de tiempo de nanosegundos, en diferentes áreas en un material heterogéneo de células solares.

Su enfoque implica un microcantilever cargado, que experimenta un ligero cambio en la fase de oscilación como resultado de la interacción con un material cercano cargado eléctricamente. Marohn compara la técnica con cómo un reloj puede verse afectado por una carga eléctrica, donde la diferencia no se puede ver en tiempo real, pero el efecto de la carga es evidente cuando compara ese reloj con uno que no se ve afectado.

"Los relojes giran una vez por hora, "Marohn dijo, "pero uno avanzará ligeramente como resultado de la interacción con la carga. Y al comparar los dos relojes, se puede ver que el uno tomó un pequeño ángulo extra ".

Su papel "Transitorios de fotocapacitancia de microsegundos observados usando un microcantilever cargado como un integrador mecánico con compuerta, "fue publicado el 9 de junio en Avances de la ciencia . Los colaboradores de Marohn fueron los estudiantes de doctorado Ryan Dwyer y Sarah Nathan, que comparten el crédito de autor principal.

El grupo ha solicitado la protección de patente para la técnica que desarrolló para este trabajo - microscopía de fuerza eléctrica de patada de fase (pk-EFM) - con el Centro de Licencias de Tecnología de Cornell.

Una de las ineficiencias de los materiales orgánicos de células solares que Marohn y su grupo están abordando es la recombinación. Cuando la luz del sol golpea el material, crea cargas libres (electrones cargados negativamente y huecos cargados positivamente) que se convierten en corriente eléctrica. Pero no todas esas cargas gratuitas escapan de la celda y se convierten en corriente; los que no se vuelven recombinantes actuales, siendo el subproducto el calor.

La capacidad de "ver" - o, con más precisión, medida:la generación de carga y la recombinación después de un estallido de luz fue el impulso del grupo detrás del desarrollo de pk-EFM. Se coloca un voladizo conductor cerca de una película semiconductora orgánica; se aplica un pulso de voltaje al voladizo, mientras se aplica a la muestra un pulso de luz cuidadosamente cronometrado.

La frecuencia de oscilación del voladizo se desplaza ligeramente por las interacciones electrostáticas con las cargas móviles en la muestra. Esas interacciones dan como resultado un cambio de fase, o "patada de fase" como lo llama el grupo. Este cambio de fase persiste durante mucho tiempo (casi un segundo) y, por lo tanto, es relativamente fácil de medir con precisión.

Los investigadores estudian este cambio de fase en función del retardo de tiempo de nanosegundos entre los pulsos de luz y los pulsos de voltaje. De este modo, los investigadores pueden inferir indirectamente qué sucedió con las cargas en la escala de tiempo de nanosegundos sin tener que observar la carga directamente, en tiempo real.

"Lo que queríamos era una forma de ver en estas pequeñas regiones donde se concentran diferentes moléculas, cómo se recombinan las cargas en las diversas regiones de la muestra, ", Dijo Marohn." Estamos tratando de ver cosas que son a la vez muy rápidas y muy pequeñas ".

El trabajo del grupo está tratando de sondear más profundamente la fotocapacidad de materiales orgánicos a granel que se han examinado previamente utilizando microscopía de fuerza eléctrica de resolución temporal. El trabajo futuro se centrará en obtener una resolución espacial y temporal aún mejor con la esperanza de determinar en última instancia qué combinación de materiales es óptima para una energía solar eficiente.

"Las células solares funcionan bien, y realmente no entendemos cómo funcionan, "Dijo Marohn." Parece que, si realmente entendieras cómo funcionaban, podrías mejorarlos mucho. Y esta es una forma de intentar averiguarlo ".