Esta tira de película contiene fotogramas tomados de la simulación cuántica de una parte de una célula solar orgánica. La cantidad representada ilustra las oscilaciones en forma de onda de un electrón después de que se absorbe la luz solar en el tiempo 0. La escala de tiempo está en femtosegundos (fs). [Una fs es una millonésima parte de una billonésima de segundo.] Las dos partes del sistema separadas por un pequeño espacio actúan como los polos de una batería microscópica que funciona con el sol. Cada cuadro representa una escena de unos 2 nanómetros de ancho. Crédito:Carlo A. Rozzi, Istituto Nanoscienze Cnr
Las células fotovoltaicas convierten directamente la luz solar en electricidad y, por tanto, son dispositivos tecnológicos clave para afrontar uno de los retos a los que se enfrenta la humanidad en este siglo:una producción sostenible y limpia de energías renovables. Células solares orgánicas, utilizando materiales poliméricos para capturar la luz solar, tienen propiedades particularmente favorables. Son de bajo costo, ligero y flexible, y su color se puede adaptar variando la composición del material. Tales células solares normalmente consisten en mezclas nanoestructuradas de polímeros conjugados (largas cadenas de átomos de carbono), actuando como absorbentes de luz, y fullerenos (balones de fútbol de carbono a nanoescala), actuando como aceptores de electrones. El paso principal y más elemental en el proceso de conversión de luz a corriente, la transferencia inducida por la luz de un electrón del polímero al fullereno, ocurre a una velocidad tan asombrosa que anteriormente se ha demostrado que es difícil seguirlo directamente.
Ahora, un equipo de investigadores alemanes e italianos de Oldenburg, Modena y Milano informaron sobre las primeras películas en tiempo real del proceso de conversión de luz a corriente en una célula solar orgánica. En un informe publicado en la edición del 30 de mayo de Ciencias revista, los investigadores muestran que la mecánica cuántica, La naturaleza ondulatoria de los electrones y su acoplamiento a los núcleos es de fundamental importancia para la transferencia de carga en un dispositivo fotovoltaico orgánico.
"Nuestros resultados iniciales fueron realmente sorprendentes", dice Christoph Lienau, un profesor de física de la Universidad de Oldenburg que dirigió el equipo de investigación. "Cuando usamos extremadamente corto, Pulsos de luz de femtosegundos para iluminar la capa de polímero en una celda orgánica, encontramos que los pulsos de luz inducen oscilaciones, movimiento vibracional de las moléculas de polímero. Inesperadamente, sin embargo, vimos que también las moléculas de fullereno empezaron a vibrar sincrónicamente. No podríamos entender esto sin suponer que los paquetes de ondas electrónicas excitados por los pulsos de luz oscilarían coherentemente hacia adelante y hacia atrás entre el polímero y el fullereno ". Todos los colegas con quienes los científicos discutieron estos resultados iniciales, obtenido por la estudiante de doctorado Sarah Falke de Oldenburg en estrecha colaboración con el equipo de Giulio Cerullo del Politecnico di Milano, expertos líderes en espectroscopia ultrarrápida, eran escépticos. "En tales mezclas orgánicas, la morfología de la interfaz entre el polímero y el fullereno es muy compleja y los dos restos no están unidos covalentemente ", dice Lienau, "por lo tanto, no se podría esperar que la coherencia vibrónica persista incluso a temperatura ambiente. Por eso le preguntamos a Elisa Molinari y Carlo A. Rozzi, del Istituto Nanoscienze de CNR y la Universidad de Modena y Reggio Emilia, en busca de ayuda ". Una serie de sofisticadas simulaciones de dinámica cuántica, realizado por Rozzi y sus colegas, proporcionó películas impresionantes de la evolución de la nube electrónica y de los núcleos atómicos en este sistema, que son responsables de las oscilaciones encontradas en los experimentos. "Nuestros cálculos indican", dice Molinari, "que el acoplamiento entre electrones y núcleos es de crucial importancia para la eficiencia de la transferencia de carga. Adaptar este acoplamiento variando la morfología y composición del dispositivo, por lo tanto, puede ser importante para optimizar la eficiencia del dispositivo".
¿Los nuevos resultados conducirán inmediatamente a mejores células solares? "Estos estudios espectroscópicos ultrarrápidos, y en particular su comparación con modelos teóricos avanzados, proporcionan una visión impresionante y más directa de los fenómenos fundamentales que inician el proceso fotovoltaico orgánico. Resultan ser muy similares a las estrategias desarrolladas por la naturaleza en la fotosíntesis. ", dice Lienau. "Estudios recientes indican que la coherencia cuántica aparentemente juega un papel importante en ese caso. Nuestro nuevo resultado proporciona evidencia de fenómenos similares en dispositivos fotovoltaicos artificiales funcionales:un avance conceptual que podría usarse para guiar el diseño de futuros sistemas de captación de luz artificial en un intente igualar la eficiencia aún incomparable de los naturales ".
