Un modelo de conversión de energía en un nanotubo de carbono semiconductor, mostrando que los excitones brillantes se transforman en excitones oscuros, que tienen una vida útil más larga y, por lo tanto, pueden sufrir una separación de carga sin volver a recombinarse en fotones. Crédito:Yamada, et al. © 2015 Sociedad Estadounidense de Física
(Phys.org) —La disipación y la decoherencia generalmente se consideran perjudiciales para la eficiencia de las células solares, pero en un nuevo artículo, los científicos han demostrado que estos efectos, paradójicamente, hacen que la vida útil del excitón en los nanotubos de carbono semiconductores sea 50 veces más larga que antes. lo que conduce a una mayor eficiencia general. Los resultados proporcionan nuevas pautas para explorar nuevos materiales fotovoltaicos que pueden ofrecer eficiencias inesperadamente altas.
Los científicos, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, y Masatoshi Imada en la Universidad de Tokio (Yamada se encuentra actualmente en la Universidad de Osaka), han publicado un artículo sobre la mejora contraintuitiva de la vida útil del excitón en una edición reciente de Cartas de revisión física .
"El principio de mejor eficiencia por disipación y decoherencia de energía ya ha sido inferido por el proceso de fotosíntesis en los cloroplastos, "dijeron los autores Phys.org . "Sin embargo, se ha mantenido como especulación hasta ahora ".
Como explican los investigadores, comprender esta mejora requiere una comprensión microscópica de la forma en que la energía se convierte de la luz solar en electricidad, o en términos de partículas, de fotones a excitones, el último de los cuales son estados ligados de un electrón y un agujero de electrones.
En este proceso de conversión de energía, Por lo general, existe una compensación cuando se trata de la tasa de absorción de fotones del material fotovoltaico. Una alta tasa de absorción es beneficiosa para el primer paso cuando se generan excitones a partir de fotones entrantes, pero dañino en un paso posterior cuando los electrones y los huecos de electrones deben separarse en diferentes electrodos. Desafortunadamente, antes de que pueda ocurrir esta separación de carga, la alta tasa de absorción hace que más excitones se recombinen rápidamente en fotones, que se emiten al medio ambiente.
En el nuevo estudio, los científicos demostraron que hay una manera de aprovechar los beneficios de una alta tasa de absorción sin pagar el precio más adelante porque la recombinación de excitones puede suprimirse, sorprendentemente, por disipación y decoherencia. Normalmente, estos dos efectos se consideran perjudiciales para la eficiencia fotovoltaica:la disipación de energía significa que se pierde algo de energía en el medio ambiente; y debido a la decoherencia, la coherencia cuántica entre fotones y excitones que ayuda a promover la generación de excitones pierde su cuantidad y se vuelve clásica.
A pesar de estos inconvenientes, los investigadores aquí demostraron que una cierta cantidad de disipación, combinado con una óptima coexistencia de coherencia y decoherencia, puede aumentar la vida útil del excitón para que tenga tiempo suficiente para separarse en un electrón y un agujero antes de que se produzca la recombinación.
"Normalmente, el proceso de separación lleva mucho más tiempo que el proceso de recombinación, "explicaron los autores". Por lo tanto, necesitamos alargar la vida útil del excitón para esperar hasta que funcione el proceso de separación ".
Para hacer esto, el mecanismo transforma "excitones brillantes" de corta duración en "excitones oscuros" de larga duración, "que viven lo suficiente como para ser separados en un electrón y un agujero sin sucumbir a la recombinación. La clave de esta transformación es que la disipación y la decoherencia imponen una transformación cuántica a clásica deseable que hace que este proceso sea irreversible:un excitón oscuro no puede volver a transformarse en un excitón brillante. Como explicaron los investigadores, averiguar esto no fue fácil de hacer.
"El proceso de cruce cuántico a clásico acompañado de disipación está en el corazón de los difíciles problemas de muchos cuerpos que no están en equilibrio, y resolverlo requiere desarrollar una herramienta computacional eficiente con una nueva formulación teórica, ", dijeron los autores." Después de resolver la ecuación maestra cuántica formulada, En el presente trabajo se ha establecido el principio de optimización de la decoherencia y disipación para una mejor eficiencia. Derribó la noción de sentido común de que se debe buscar una mejor eficiencia en materiales con un mejor 'rendimiento cuántico' que tienen una tasa de fotoluminiscencia más alta. Nos proporciona nuevas pautas ".
Como explicaron los científicos, parte de la razón por la que el beneficio de supresión de la recombinación de la disipación y la decoherencia ha pasado desapercibido hasta ahora es que el mecanismo paradójicamente causa una disminución en la fotoluminiscencia, o emisión de luz, de modo que un material con estos efectos parecería a primera vista poco prometedor como dispositivo fotovoltaico. Sin embargo, la disminución de la fotoluminiscencia se debe al hecho de que el mecanismo convierte los excitones brillantes (que emiten luz) en excitones oscuros (que no lo hacen). Entonces, aunque más excitones oscuros hacen que el material parezca oscuro, son los que permiten al material convertir la luz en electricidad con una alta eficiencia.
"En el siguiente paso, urge aclarar cómo se produce la separación del excitón en un electrón y un agujero con el transporte de los mismos a los electrodos opuestos para generar una fuerza electromotriz, siempre que su recombinación a un fotón se suprima en el presente mecanismo, ", dijeron los autores." Esto requiere un proceso de evolución temporal mucho más largo y complejo. Otra dirección de la investigación es, por supuesto, diseñar una célula solar con mayor eficiencia utilizando los principios y directrices actuales. Esto se puede hacer para nuevos candidatos de materiales ".
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