Tendo em vista as mudanças climáticas e as necessidades da reforma energética, tornou-se particularmente importante aumentar significativamente a eficiência das células solares orgânicas. Em um processo conhecido como 'fissão singlete', um fóton excita simultaneamente dois elétrons. Se este efeito pode ser explorado, pode muito bem ser possível aumentar drasticamente a energia gerada por células solares. Físicos e químicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), colaborando em um projeto internacional conjunto com a Northwestern University nos EUA, trabalharam com sucesso todas as fases intermediárias decisivas no processo de fissão singlet e conseguiram descrever o mecanismo em detalhes pela primeira vez. Os resultados foram publicados na principal revista especializada Nature Communications .
As moléculas que são estimuladas pela luz atingem um nível mais alto de excitação; isso significa que a energia correspondente pode ser usada em células solares orgânicas para gerar uma corrente elétrica. Quando uma partícula de luz colide e é absorvida por uma molécula, é possível que a energia excedente criada naquela molécula pudesse estimular um elétron em uma segunda molécula em sua vizinhança imediata. Como resultado, ambas as moléculas conteriam um elétron em um estado de excitação superior. Este processo é chamado de fissão singlete (SF) e pode, na melhor das hipóteses, levar a um aumento de 50% no desempenho da célula solar. Contudo, a energia gerada não é retida pelas moléculas para sempre e as moléculas eventualmente retornarão ao seu estado anterior. O princípio por trás do SF é conhecido há 50 anos, mas seu mecanismo exato ainda não é totalmente compreendido. É por isso que os pesquisadores baseados em Erlangen analisaram de perto todas as fases intermediárias entre a estimulação da molécula e o retorno ao estado original.
Dois métodos empregados para identificar as fases individuais
Trabalhando junto com pesquisadores internacionais, a equipe da FAU sob a orientação do Prof. Dr. Dirk M. Guldi (titular da Cátedra de Físico-Química I) utilizou dois métodos diferentes para identificar as fases individuais. Como todos os processos que ocorrem dentro de uma molécula após sua excitação ocorrem em velocidades muito altas, métodos espectroscópicos devem ser empregados para fornecer insights resolvidos no tempo sobre as fases individuais após a estimulação.
Usando espectroscopia, os pesquisadores primeiro observaram como as propriedades de absorção das moléculas mudavam durante a fase de desativação. Certas fases de transição, conhecidas como intermediárias, deixam "impressões digitais" que permitem que sejam claramente identificadas. Alguns intermediários, Contudo, têm propriedades de absorção idênticas, é por isso que é necessário usar um segundo método de análise - neste caso, espectroscopia de ressonância de spin de elétrons. Isso ocorre porque alguns dos intermediários diferem no que diz respeito ao spin de seus elétrons estimulados. Usando esses dois métodos em conjunto, a equipe da FAU conseguiu identificar todos os intermediários e desenvolver um modelo padronizado do que acontece em SF. Os pesquisadores esperam que os resultados de seu trabalho possibilitem uma abordagem mais direcionada ao desenho de moléculas que, por sua vez, torne viável a produção de uma célula solar que opere com base no princípio da fissão singlete.
