Cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA agora são capazes de capturar o momento em que menos de um trilionésimo de segundo em que uma partícula de luz atinge uma célula solar e se torna energia, e descrever a física do portador de carga e do movimento do átomo pela primeira vez.

A geração e dissociação de pares de elétrons e lacunas ligados, ou seja, excitons, são processos-chave em células solares e tecnologias fotovoltaicas, ainda assim, é um desafio seguir sua dinâmica inicial e coerência eletrônica.

Usando espectroscopia de baixa frequência resolvida com tempo na região espectral de terahertz, os pesquisadores exploraram as fotoexcitações de uma nova classe de materiais fotovoltaicos conhecidos como perovskitas de haleto organometal. Os organometálicos são materiais maravilhosos para dispositivos de coleta de luz e transporte eletrônico, e eles combinam o melhor dos dois mundos - o desempenho de alta conversão de energia dos dispositivos fotovoltaicos inorgânicos tradicionais, com os custos econômicos dos materiais e métodos de fabricação das versões orgânicas.

"Esses dispositivos são tão novos e únicos que o mecanismo pelo qual uma partícula de luz, ou fóton, converte para portadores de carga e como eles se movem de forma combinada para a conversão de energia não é bem compreendido, e ainda esse é o processo mais fundamental em tecnologias de células solares e fotovoltaicas, "disse Jigang Wang, um cientista do Ames Laboratory e professor associado de física na Iowa State University. "Por que este material é tão distinto? Essa tem sido a grande questão na comunidade científica, e isso levou a uma febre de pesquisa e publicação. "

Os pesquisadores do Laboratório Ames queriam saber não apenas como a geração e dissociação de pares de elétrons e lacunas ligados, ou seja, excitons, aconteceu no material, eles queriam descobrir as vias quânticas e o intervalo de tempo desse evento.

"Se você olhar para o processo natural, na fotossíntese, é um processo extremamente eficiente em algumas moléculas biológicas, então também é muito coerente. Vemos algo semelhante em um sistema de laser feito pelo homem; um laser oscila em um padrão de onda fixo, "disse Wang." Se pudermos medir essa memória no transporte de carga e na migração de energia nesses materiais, podemos entender e controlar isso, e têm o potencial de melhorá-los, aprendendo com a Mãe Natureza. "

Multímetros convencionais para medir estados elétricos em materiais não funcionam para medir excitons, que são quasipartículas eletricamente neutras sem corrente zero. As técnicas de espectroscopia terahertz ultrarrápidas forneceram uma sonda sem contato que foi capaz de seguir suas estruturas internas, e quantificar o evento fóton-exciton com resolução de tempo melhor do que um trilionésimo de segundo.

Wang atribuiu às contribuições de pesquisadores de várias áreas de especialização do Laboratório Ames a importância da descoberta. "Isso só foi possível com a colaboração de especialistas em design e fabricação de materiais, teoria computacional, e espectroscopia, ", disse ele." Ter essas capacidades em um só lugar é o que torna o Laboratório Ames um dos lugares mais avançados neste tipo de pesquisa de materiais fotônicos. "

A pesquisa é discutida posteriormente em um artigo, "Instantâneos terahertz ultrarrápidos de estados de Rydberg excitônicos e coerência eletrônica em uma perovskita de haleto organometal", de autoria de Liang Luo, Long Men, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, Joseph Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, e Jigang Wang; e publicado em Nature Communications .