Si bien existe un mercado en crecimiento para las células solares orgánicas, contienen materiales que son más baratos, más abundante, y más respetuosos con el medio ambiente que los que se utilizan en los paneles solares típicos; también tienden a ser menos eficientes para convertir la luz solar en electricidad que las células solares convencionales.

Ahora, científicos que son miembros del Centro para el Estudio Computacional de Fenómenos del Estado Emocionado en Materiales Energéticos (C2SEPEM), un nuevo centro científico relacionado con materiales energéticos con sede en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), han resuelto un misterio que podría conducir a ganancias en eficiencia.

Identificaron la fuente de un proceso ultrarrápido y eficiente que genera varios portadores de carga eléctrica a partir de una sola partícula de luz en cristales orgánicos que son parte integral de esta forma cada vez más popular de células solares.

Este proceso, llamado "fisión singlete" porque es similar a la división de núcleos atómicos en la fisión nuclear para crear dos átomos más livianos a partir de uno más pesado, es prometedor para aumentar drásticamente la eficiencia de las células solares orgánicas al convertir rápidamente más energía solar en cargas eléctricas en lugar de perderlo por calor.

El equipo de investigación encontró un nuevo mecanismo que explica cómo esta reacción puede ocurrir en solo decenas de femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo), antes de que otros efectos competidores puedan robar su energía. Su estudio fue publicado el 29 de diciembre en la revista Cartas de revisión física .

"De hecho, descubrimos un nuevo mecanismo que nos permite intentar diseñar mejores materiales, "dijo Steven G. Louie, director de C2SEPEM, un centro respaldado por el DOE que incluye investigadores de Berkeley Lab; la Universidad de California, Los Angeles; la Universidad de Texas en Austin; y el Instituto de Tecnología de Georgia.

Louie, un codirector del estudio, También es científico principal de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley. C2SEPEM se enfoca en desarrollar teorías, métodos, y software para ayudar a explicar procesos complejos en materiales relacionados con la energía.

En el proceso de división, una partícula compuesta compuesta por un electrón, que tiene una carga negativa, y su agujero asociado, una posición libre de electrones en la estructura atómica de un material que se comporta como una partícula al transportar una carga positiva, se convierte rápidamente en dos pares de agujeros de electrones. Esto duplica el potencial de transporte de carga en el material al tiempo que evita la pérdida de energía en forma de calor.

"Hay muchas cosas que todavía no entendemos sobre la física fundamental de este proceso en materiales cristalinos sobre las que esperamos arrojar más luz, "dijo Jeffrey B. Neaton, director asociado de C2SEPEM, quien codirigió el estudio con Louie.

Neaton también es el Director de Laboratorio Asociado de Ciencias de la Energía en Berkeley Lab, el director de Molecular Foundry de Berkeley Lab, y profesor de física en UC Berkeley. "El método computacional que desarrollamos es muy predictivo, y lo usamos para comprender la fisión singlete de una manera nueva que nos permita diseñar materiales aún más eficientes en la captación de luz, por ejemplo."

Louie señaló que muchos esfuerzos anteriores se habían centrado en solo unas pocas moléculas dentro del material, en este caso, la forma cristalizada del pentaceno, que está compuesto de hidrógeno y carbono, para conocer estos efectos exóticos. Pero estos enfoques pueden haber simplificado demasiado los efectos que impulsan la fisión singlete.

"Ha habido muchos esfuerzos teóricos para tratar de comprender lo que está pasando, " él dijo.

En este último estudio, el equipo de investigación comenzó con una vista a gran escala de la estructura general del pentaceno cristalizado, y particularmente su simetría - los patrones repetidos en su marco atómico.

"Es como tratar de explicar el océano mirándolo molécula por molécula, o mirando una ola entera, "dijo Felipe H. da Jornada, coautor principal del estudio con Sivan Refaely-Abramson. Ambos son investigadores postdoctorales en Berkeley Lab y UC Berkeley y también están afiliados a C2SEPEM.

"Nuestro enfoque captura directamente todo el cristal, "no importa el tamaño, El lo notó.

El equipo utilizó cálculos realizados en parte en Molecular Foundry de Berkeley Lab, y recursos de supercomputación en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía del Laboratorio para desarrollar, modelo, y probar sus nuevas teorías sobre el proceso de fisión.

"Creemos que estas teorías también se pueden aplicar a materiales muy diferentes, "dijo Refaely-Abramson, "y en este sentido, la teoría es muy importante ". Experimentos anteriores habían pasado por alto algunas de las pistas importantes sobre el papel de la estructura cristalina en el mecanismo de fisión singlete.

El estudio concluye que para duplicar de manera eficiente estos pares de electrones y huecos, el material muestreado debe mostrar un tipo específico de simetría, o combinaciones repetidas de moléculas, dentro de su estructura de cristal, al igual que el piso de una habitación puede mostrar una multitud de simples, patrones repetidos usando los mismos mosaicos.

La eficiencia del proceso de fisión singlete parece depender en gran medida del número de moléculas empaquetadas dentro de cada patrón repetido o "motivo" en el cristal. y en un tipo particular de simetría aquél en el que hay una rotación de 180 grados y un reflejo de estos motivos. Esta relación entre simetría y eficiencia, los investigadores encontraron, les permite hacer predicciones poderosas sobre la eficiencia de la fisión general.

Esas predicciones solo pueden ser posibles, aunque, si los pares de electrones y huecos de la muestra se comportan como objetos ondulantes que se mueven por todo el cristal como ondas en un océano. Este enfoque también les dio una nueva perspectiva sobre el proceso de división, y cómo los pares recién creados deben comportarse como ondas que se propagan en direcciones opuestas.

Todavía hay varios pasos que deben resolverse para que estos hallazgos sean más relevantes para las aplicaciones del mundo real, anotaron los investigadores. En células solares, por ejemplo, los electrones deben liberarse de manera eficiente de su emparejamiento con agujeros para recolectar su energía y mejorar el rendimiento del panel solar.

Comprender la duplicación de los portadores de carga en un material puede ayudar a los investigadores a explicar y diseñar mejor los procesos inversos. también, como la tecnología utilizada en algunas pantallas de teléfonos móviles que reduce la cantidad de portadores de carga (un proceso conocido como fusión triple), dijo Neaton.

Louie señaló que el equipo multidisciplinario que se reunió para el estudio, un aspecto clave del centro C2SEPEM, fue integral en la introducción de nuevas ideas para abordar un problema de décadas.

"Este es uno de los primeros temas importantes que podríamos abordar, y ahora se ha hecho realidad " él dijo.