Cuatro pulsos de luz láser en fotocélulas de nanopartículas en un experimento de espectroscopia de la Universidad de Oregon han abierto una ventana sobre cómo la luz solar capturada se puede convertir en electricidad.

La obra, que potencialmente podría inspirar dispositivos con una eficiencia mejorada en la conversión de energía solar, se realizó en fotocélulas que utilizaban puntos cuánticos de sulfuro de plomo como material semiconductor fotoactivo. La investigación se detalla en un artículo publicado en línea por la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

En el proceso estudiado, cada fotón, o partícula de luz solar, que se absorbe crea potencialmente múltiples paquetes de energía llamados excitones. Estos paquetes pueden generar posteriormente múltiples electrones libres que generan electricidad en un proceso conocido como generación de excitones múltiples (MEG). En la mayoría de las células solares, cada fotón absorbido crea solo un electrón libre potencial.

La generación de excitones múltiples es interesante porque puede conducir a células solares que generan más corriente eléctrica y las hacen más eficientes. El trabajo de UO arroja nueva luz sobre el proceso poco conocido de MEG en nanomateriales.

Si bien los científicos están debatiendo la importancia potencial de MEG en la conversión de energía solar, El experimento de espectroscopia UO, adaptado en colaboración con científicos de la Universidad de Lund de Suecia, debería ser útil para estudiar muchos otros procesos en nanomateriales fotovoltaicos. dijo Andrew H. Marcus, profesor de química física y jefe del Departamento de Química y Bioquímica de la UO.

Los experimentos espectroscópicos previamente diseñados por Marcus para realizar espectroscopía de fluorescencia bidimensional de moléculas biológicas se adaptaron para medir también la fotocorriente. "La espectroscopia tiene que ver con la luz y las moléculas y lo que hacen juntas, ", Dijo Marcus." Es una gran sonda que ayuda a informarnos sobre la vía de reacción que conecta el comienzo de un proceso químico o físico con su final.

"El enfoque es similar a observar cómo se unen las moléculas en el ADN, pero, en cambio, analizamos las interacciones dentro de los materiales semiconductores, "dijo Marcus, un afiliado en el Instituto de Biología Molecular de la UO, Instituto de Ciencia de Materiales y Centro de Óptica de Oregon. "Nuestro método hizo posible observar las vías electrónicas involucradas en la creación de múltiples excitones. La existencia de este fenómeno solo se había inferido a través de evidencia indirecta. Creemos que hemos visto los pasos iniciales que conducen a la fotoconductividad mediada por MEG".

La secuenciación controlada de pulsos láser permitió al equipo de investigación de siete miembros ver, en femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima parte de una mil millonésima de segundo), la llegada de la luz, su interacción con los electrones en reposo y la posterior conversión en múltiples excitones. El uso combinado de espectroscopía bidimensional de fotocorriente y fluorescencia, Marcus dijo, proporcionó información complementaria sobre la vía de reacción.

Mark C. Lonergan, coautor de UO, profesor de química física y de materiales, que estudia fenómenos eléctricos y electroquímicos en sistemas de estado sólido, comparó los procesos que se están observando con personas que se mueven a través de un laberinto de maíz que tiene una entrada y tres salidas.

Las personas que entran en el laberinto son fotones. Los que salen rápidamente representan fotones absorbidos que generan calor inutilizable. Las personas que abandonan la segunda salida representan otros fotones absorbidos que generan fluorescencia, pero no electrones libres utilizables. Las personas que salen por la salida final significan corriente eléctrica utilizable.

"La pregunta que nos interesa es exactamente cómo se ve el laberinto, ", Dijo Lonergan." El problema es que no tenemos buenas técnicas para mirar dentro del laberinto y descubrir los posibles caminos a través de él. Las técnicas que Andy ha desarrollado básicamente nos permiten ver el laberinto codificando lo que sale del sistema en términos de exactamente lo que está pasando. Podemos visualizar lo que está pasando, si dos personas que entraron al laberinto se dieron la mano en algún momento y detalles sobre el camino que los llevó a salir por la salida de la electricidad ".

El proyecto comenzó cuando Tonu Pullerits, que estudia fotoquímica ultrarrápida en materiales moleculares semiconductores en la Universidad de Lund, se acercó a Marcus sobre la adopción de su sistema espectroscópico para observar materiales solares. Khadga J. Karki, investigador postdoctoral en el laboratorio de Pullerits, luego visitó la UO y se asoció con los grupos de Marcus y Lonergan para reconfigurar el equipo.