Metodología experimental y espectros de absorción estática de P3HT. a La configuración experimental para la espectroscopia de rayos X blandos resuelta en el tiempo. Un pulso de bombeo visible de 15 fs excita la transición π→π* en P3HT, y un pulso de rayos X suave de attosegundos retrasado temporalmente sondea los bordes de absorción de carbono y azufre. b El espectro de absorción visible de las muestras de P3HT utilizadas en este trabajo y el espectro del pulso de bombeo que se centra en el máximo de la resonancia π→π* en P3HT. c Un espectro típico de rayos X suaves que se extiende hasta ~330 eV (línea negra). La línea roja es el espectro de absorción de rayos X de la muestra P3HT, características de absorción en el azufre L1,2,3 y los bordes K de carbono se resuelven simultáneamente. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31008-w
Los investigadores han rastreado las primeras fracciones de segundo después de que la luz golpea las células solares, proporcionando información sobre cómo producen electricidad.
Sondear los primeros momentos del proceso de convertir la luz en electricidad podría ayudar a los investigadores a mejorar las nuevas células solares, permitiéndoles producir energía de manera más eficiente.
El método, desarrollado por investigadores del Imperial College London, utiliza láseres ultrarrápidos y rayos X para provocar una reacción y luego medir los cambios que provoca en solo femtosegundos (cuatrillones de segundo).
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Imperial y Newcastle ha utilizado la técnica para estudiar materiales fotovoltaicos orgánicos (OPV) que recolectan los rayos del sol para producir energía o dividir el agua.
Los materiales OPV están bajo intenso estudio ya que pueden proporcionar energía renovable más barata. Sin embargo, muchos de los materiales que se utilizan actualmente son inestables o ineficientes, debido a la compleja interacción de los electrones que son excitados por la luz.
Un estudio más detallado de las interacciones rápidas de estos electrones, como el artículo publicado hoy en Nature Communications que combina una resolución de tiempo rápida con mediciones localizadas en los átomos, proporciona información valiosa sobre los métodos para mejorar las células solares y los catalizadores.
Dispositivos más eficientes
El profesor Jon Marangos, del Departamento de Física de Imperial, dice que "las OPV son alternativas baratas y flexibles a la energía fotovoltaica basada en silicio, por lo que son una perspectiva atractiva para su uso en la futura infraestructura de generación de energía solar".
"Este trabajo demuestra el poder de nuestra nueva técnica de rayos X con resolución temporal, que ahora se puede aplicar a una gama más amplia de materiales y puede proporcionar la comprensión necesaria para fabricar dispositivos OPV más eficientes".
El equipo investigó el primer paso de la conversión de energía solar:las reacciones en el material causadas por el impacto de la luz. Primero dispararon un pulso láser de 15 femtosegundos al material para excitar la reacción. Siguieron esto con un pulso de rayos X que duró solo attosegundos (menos de millonésimas de una billonésima de segundo), que midió los cambios resultantes en el material.
Estados en rápida evolución
El equipo observó, por primera vez, firmas de rayos X directos del estado inicial del material cuando los electrones se descolocan. Esto crea un par de electrones y "agujeros", que pueden moverse a través del material.
Este estado inicial evolucionó rápidamente a un estado nuevo y más estable en solo 50 femtosegundos. Los cálculos del profesor Tom Penfold de la Universidad de Newcastle concordaron bien con las observaciones, mostrando que el estado inicial dependía de la distancia entre las cadenas de moléculas en el material.
El Dr. Artem Bakulin, del Departamento de Química de Imperial, dice que "esta sensibilidad del método de rayos X de resolución temporal a la dinámica electrónica inicial que ocurre directamente después de la excitación por la luz allana el camino para nuevos conocimientos sobre la fotofísica de una amplia gama de optoelectrónicos orgánicos y otros materiales".
El equipo ahora planea explorar la dinámica de carga ultrarrápida en otros materiales semiconductores orgánicos, incluidos los materiales descubiertos recientemente que usan diferentes moléculas como aceptores de electrones, que muestran una mayor eficiencia de OPV. Un paso hacia la energía solar más barata
