El laboratorio Ames de Estados Unidos ha sido capaz de captar el momento, menos de un milmillonésima de segundo, en que una partícula de luz golpea una célula solar y se convierte en energía.

Los científicos de este centro, dependiente del Departamento de Energía, han podido así describir por primera vez la física del portador de la carga y el movimiento del átomo.

La generación y disociación de pares de electrones y huecos unidos, es decir, los excitones, son procesos clave en las tecnologías de células solares y fotovoltaicas, pero es difícil seguir su dinámica inicial y coherencia electrónica.

Utilizando la espectroscopia de baja frecuencia resuelta en el tiempo en la región espectral de los terahertzios, los investigadores exploraron las fotoexcitaciones de una nueva clase de materiales fotovoltaicos conocidos como perovskitas de haluro organometálico.

Los organometálicos son materiales asombrosos para la recolección de la luz y los dispositivos de transporte electrónico, y combinan lo mejor de ambos mundos: el rendimiento de conversión de alta energía de los dispositivos fotovoltaicos inorgánicos tradicionales, con los costos económicos de materiales y métodos de fabricación de las versiones orgánicas.

“Estos dispositivos son tan nuevos y tan únicos que el mecanismo por el cual una partícula de luz, o fotón, se convierte en portador de carga y cómo se mueven de manera concertada para la conversión de energía no es bien entendido, y sin embargo, es el proceso más fundamental en las células solares y las tecnologías fotovoltaicas”, dijo en un comunicado Jigang Wang, científico del Laboratorio Ames y profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Iowa.

“¿Por qué este material es tan distinto?” Esta ha sido la gran pregunta en la comunidad científica, y ha llevado a una fiebre de investigación y publicación”, explicó.

Los investigadores del laboratorio Ames quisieron saber no solamente cómo la generación y la disociación de los pares enlazados de electrón y hueco, es decir los excitones, sucedieron en el material, sino que también quisieron descubrir las rutas cuánticas y el intervalo de tiempo de ese acontecimiento.

“Si se observa el proceso natural, en la fotosíntesis, es un proceso extremadamente eficiente en algunas moléculas biológicas, por lo que también es muy coherente. Vemos lo mismo en un sistema artificial de láser, un láser oscila en un patrón de onda fija”, dijo Wang. “Si podemos medir tal memoria en el transporte de carga y la migración de energía en estos materiales, podemos entenderlo y controlarlo, y tenemos el potencial de mejorarlos aprendiendo de la Madre Naturaleza”.

Los multímetros convencionales para medir estados eléctricos en materiales no funcionan para medir excitones, que son quasiparticulas eléctricamente neutras sin corriente cero. Las técnicas de espectroscopia ultrarrápidas en terahertzios proporcionaron una sonda sin contacto que fue capaz de seguir sus estructuras internas, y cuantificar la transición fotón a excitón con resolución en el tiempo mejor que una milmillonésima de segundo.

Wang acreditó las contribuciones de investigadores de múltiples áreas de especialización en el Laboratorio Ames con la importancia del descubrimiento. “Esto sólo fue posible con la colaboración de expertos en diseño y fabricación de materiales, teoría computacional y espectroscopía”, dijo. “Tener esas capacidades en un solo lugar es lo que hace que Ames sea uno de los lugares más avanzados en este tipo de investigación de materiales fotónicos”.

La investigación se ha publicado en Nature Communications.

Fuente: Europa Press