El estudio muestra que las vibraciones moleculares pueden «catapultar» electrones a través de materiales solares en cuatrillonésimas de segundo, mucho más rápido de lo que se pensaba anteriormente. Estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a encontrar formas más eficientes de convertir la energía solar en electricidad, según un estudio publicado el 5 de marzo en la revista Nature Communications.
«Estamos viendo efectivamente cómo los electrones migran al mismo ritmo que los átomos», dijo Pratyush Ghosh, coautor del estudio y investigador que estudia espectroscopía ultra rápida en la Universidad de Cambridge.
Las células solares orgánicas utilizan moléculas con base de carbono, en lugar de silicio, para convertir la luz solar en electricidad. En teoría, las células solares orgánicas podrían proporcionar electricidad a un costo menor que las células solares convencionales, pero son mucho menos eficientes.
En una célula solar orgánica típica, un donante de electrones y un aceptor de electrones están intercalados entre dos electrodos conductores. Cuando la luz golpea la célula, se genera un «excitón», un par electrón-hueco. Los excitones se dividen en la interfaz entre el donante y el aceptor, generando electricidad.
Para lograr una transferencia de carga rápida en la interfaz y limitar la pérdida de energía, las moléculas donantes y aceptoras suelen tener un fuerte acoplamiento electrónico, lo que permite que las cargas se muevan fácilmente entre las moléculas. También suelen tener una gran diferencia de energía entre ellos, lo que limita el voltaje disponible del dispositivo.
En el nuevo estudio, los investigadores observaron una transferencia de carga ultrarrápida en una unión entre el donante de electrones y el aceptor de electrones en una célula solar orgánica, sin necesidad de cumplir con ninguno de estos requisitos. El equipo utilizó un pulso láser corto para excitar el donante de electrones, un polímero llamado TS-P3, y luego utilizó un láser diferente para medir cómo el sistema cambiaba durante la transferencia de carga.
«Eso sucedió en 18 femtosegundos, tan rápido como vibra una sola molécula. Algunos otros sistemas sin fuertes fuerzas impulsoras exhiben transferencia de carga en más de 100 o 200 femtosegundos, pero la mayoría tarda diez a mil veces más que eso», afirmó Ghosh.
En una segunda serie de experimentos con láser, el equipo descubrió que las vibraciones en la molécula donante de polímero lanzaron un electrón a través de la unión a una molécula aceptor. Cuando el electrón llegó, desencadenó vibraciones superpuestas en la molécula aceptora. Esta superposición permitió que la transferencia de carga ocurriera mucho más rápido de lo esperado y sin la necesidad de un acoplamiento fuerte o una gran diferencia de energía.
«En lugar de derivar al azar, el electrón es lanzado en un solo impulso coherente», dijo Ghosh. «La vibración actúa como una catapulta molecular. Las vibraciones no solo acompañan el proceso, sino que lo impulsan activamente».
Estos hallazgos ayudan a explicar los procesos que controlan la velocidad de transferencia de carga y establecen nuevas estrategias para diseñar células solares orgánicas y materiales más eficientes, señalaron los investigadores en el estudio.
«En lugar de tratar de suprimir el movimiento molecular, ahora podemos diseñar materiales que lo utilizan, convirtiendo las vibraciones de una limitación en una herramienta», dijo Akshay Rao, coautor del estudio y físico en Cambridge. [Context: The content has been translated into readable Spanish suitable for a professional news article.]
