As células solares de próxima geração feitas de compostos orgânicos são uma grande promessa para atender às necessidades futuras de energia, mas os pesquisadores ainda estão se esforçando para obter uma compreensão profunda dos materiais envolvidos - incluindo a eficiência com a qual eles convertem a luz em carga móvel, conhecido como fotocapacitância.

Um grupo de pesquisa Cornell liderado por John Marohn, professor do Departamento de Química e Biologia Química, propôs um método exclusivo para registrar e medir a carga móvel induzida pela luz - em comprimentos de nanoescala e escalas de tempo de nanossegundos - em diferentes áreas em um material heterogêneo de células solares.

Sua abordagem envolve um microcantilever carregado, que experimenta uma ligeira mudança na fase de oscilação como resultado da interação com um material eletricamente carregado próximo. Marohn compara a técnica a como um relógio pode ser afetado por uma carga elétrica, onde a diferença não pode ser vista em tempo real, mas o efeito da carga é evidente quando você compara aquele relógio com um não afetado.

"Os relógios funcionam uma vez por hora, "Marohn disse, "mas um avançará ligeiramente como resultado da interação com a carga. E, comparando os dois relógios, você pode ver que aquele pegou um ângulo um pouco extra. "

Seu papel, "Transientes de fotocapacitância de microssegundos observados usando um microcantilever carregado como um integrador mecânico fechado, "foi publicado em 9 de junho em Avanços da Ciência . Os colaboradores de Marohn eram estudantes de doutorado Ryan Dwyer e Sarah Nathan, que compartilham o crédito do autor principal.

O grupo solicitou proteção de patente para a técnica que desenvolveu para este trabalho - microscopia de força elétrica de chute de fase (pk-EFM) - com o Centro de Licenciamento de Tecnologia da Cornell.

Uma das ineficiências dos materiais orgânicos das células solares que Marohn e seu grupo estão abordando é a recombinação. Quando a luz do sol atinge o material, ele cria cargas livres (elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente) que se transformam em corrente elétrica. Mas nem todas essas cargas gratuitas escapam da célula e se transformam em correntes; aqueles que não se transformam em recombina atual, com o subproduto sendo o calor.

A capacidade de "ver" - ou, mais precisamente, medida - geração de carga e recombinação após uma explosão de luz foi o impulso do grupo por trás do desenvolvimento de pk-EFM. Um cantilever condutor é colocado próximo a um filme semicondutor orgânico; um pulso de tensão é aplicado ao cantilever, enquanto um pulso de luz cuidadosamente cronometrado é aplicado à amostra.

A frequência de oscilação do cantilever é ligeiramente alterada pelas interações eletrostáticas com as cargas móveis na amostra. Essas interações resultam em uma mudança de fase, ou "phase kick", como o grupo o chama. Essa mudança de fase persiste por um longo tempo (quase um segundo) e, portanto, é relativamente fácil de medir com precisão.

Os pesquisadores estudam essa mudança de fase em função do atraso de nanossegundos entre os pulsos de luz e os pulsos de voltagem. Desta maneira, os pesquisadores são capazes de inferir indiretamente o que aconteceu com as cargas na escala de tempo dos nanossegundos, sem ter que observar a carga diretamente, em tempo real.

"O que queríamos era uma maneira de ver, nessas pequenas regiões onde diferentes moléculas estão concentradas, como as cargas se recombinam nas várias regiões da amostra, "Marohn disse." Estamos tentando observar as coisas que são muito rápidas e muito pequenas. "

O trabalho do grupo está tentando sondar mais profundamente a fotocapacitância de materiais orgânicos a granel que foram previamente examinados usando microscopia de força elétrica resolvida no tempo. Trabalhos futuros se concentrarão em obter uma resolução espacial e temporal ainda melhor na esperança de determinar qual combinação de materiais é ideal para energia solar eficiente.

"As células solares funcionam bem, e não entendemos realmente como funcionam, "Marohn disse." Parece que, se você realmente entendeu como eles funcionam, você poderia torná-los muito melhores. E esta é uma maneira de tentar descobrir isso. "