Embora exista um mercado crescente para células solares orgânicas - elas contêm materiais mais baratos, mais abundante, e mais ecologicamente corretos do que aqueles usados ​​em painéis solares típicos - eles também tendem a ser menos eficientes na conversão de luz solar em eletricidade do que as células solares convencionais.

Agora, cientistas que são membros do Centro de Estudos Computacionais de Fenômenos de Estado Excitado em Materiais de Energia (C2SEPEM), um novo centro de ciência relacionado a materiais de energia baseado no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), resolveram um mistério que pode levar a ganhos de eficiência.

Eles identificaram a origem de um processo ultrarrápido e eficiente que gera vários portadores de carga elétrica a partir de uma única partícula de luz em cristais orgânicos que são parte integrante desta forma cada vez mais popular de células solares.

Este processo - chamado de "fissão singlete" porque é semelhante à divisão de núcleos atômicos na fissão nuclear para criar dois átomos mais leves a partir de um mais pesado - promete aumentar drasticamente a eficiência das células solares orgânicas, convertendo rapidamente mais energia da luz solar em cargas elétricas em vez de perdê-las para o calor.

A equipe de pesquisa encontrou um novo mecanismo que explica como essa reação pode ocorrer em apenas dezenas de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo), antes que outros efeitos concorrentes possam roubar sua energia. Seu estudo foi publicado em 29 de dezembro na revista Cartas de revisão física .

"Na verdade, descobrimos um novo mecanismo que nos permite tentar projetar materiais melhores, "disse Steven G. Louie, diretor da C2SEPEM, um centro apoiado pelo DOE que inclui pesquisadores do Berkeley Lab; a Universidade da Califórnia, Los Angeles; a Universidade do Texas em Austin; e o Instituto de Tecnologia da Geórgia.

Louie, um co-líder do estudo, também é cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley. C2SEPEM se concentra no desenvolvimento de teorias, métodos, e software para ajudar a explicar processos complexos em materiais relacionados à energia.

No processo de divisão, uma partícula composta composta de um elétron, que tem uma carga negativa, e seu buraco parceiro - uma posição vaga de elétron na estrutura atômica de um material que se comporta como uma partícula carregando uma carga positiva - se converte rapidamente em dois pares de elétron-buraco. Isso dobra o potencial de carga do material, evitando a perda de energia na forma de calor.

"Há muito que ainda não entendemos sobre a física fundamental desse processo em materiais cristalinos sobre os quais esperamos esclarecer melhor, "disse Jeffrey B. Neaton, diretor associado da C2SEPEM, que co-liderou o estudo com Louie.

Neaton também é o Diretor de Laboratório Associado para Ciências da Energia no Berkeley Lab, o diretor da Fundição Molecular do Berkeley Lab, e professor de física na UC Berkeley. "O método computacional que desenvolvemos é muito preditivo, e nós o usamos para entender a fissão singlete de uma nova maneira que pode nos permitir projetar materiais ainda mais eficientes na coleta de luz, por exemplo."

Louie observou que muitos esforços anteriores se concentraram em apenas algumas moléculas dentro do material - neste caso, a forma cristalizada do pentaceno, que é composto de hidrogênio e carbono - para aprender sobre esses efeitos exóticos. Mas tais abordagens podem ter simplificado demais os efeitos que levam à fissão singlete.

"Tem havido muitos esforços teóricos para tentar entender o que está acontecendo, " ele disse.

Neste último estudo, a equipe de pesquisa começou com uma visão em grande escala da estrutura geral do pentaceno cristalizado, e particularmente sua simetria - os padrões repetidos em sua estrutura atômica.

"É como tentar explicar o oceano olhando para ele molécula por molécula, ou olhando para uma onda inteira, "disse Felipe H. da Jornada, um co-autor principal do estudo com Sivan Refaely-Abramson. Ambos são pesquisadores de pós-doutorado no Berkeley Lab e UC Berkeley e também são afiliados ao C2SEPEM.

"Nossa abordagem captura diretamente todo o cristal, "não importa o tamanho, ele notou.

A equipe usou cálculos realizados em parte na Fundição Molecular do Berkeley Lab, e recursos de supercomputação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do Laboratório para desenvolver, modelo, e testar suas novas teorias do processo de fissão.

"Acreditamos que essas teorias também podem ser aplicadas a materiais muito diferentes, "disse Refaely-Abramson, "e neste sentido, a teoria é muito importante. "Experimentos anteriores haviam perdido algumas das pistas importantes sobre o papel da estrutura do cristal no mecanismo de fissão do singleto.

O estudo conclui que, a fim de dobrar com eficiência esses pares de elétron-buraco, o material amostrado deve apresentar um tipo específico de simetria, ou combinações repetidas de moléculas, dentro de sua estrutura de cristal - assim como o chão de uma sala pode exibir uma infinidade de simples, repetir padrões usando as mesmas peças.

A eficiência do processo de fissão singlete parece depender fortemente do número de moléculas empacotadas dentro de cada padrão de repetição ou "motivo" no cristal, e em um tipo particular de simetria aquele em que há uma rotação de 180 graus e espelhamento desses motivos. Essa relação entre simetria e eficiência, os pesquisadores descobriram, permite que eles façam previsões poderosas sobre a eficiência da fissão geral.

Essas previsões só podem ser possíveis, no entanto, se os pares de elétron-buraco na amostra se comportam como objetos em forma de onda movendo-se por todo o cristal como ondas em um oceano. Essa abordagem também deu a eles uma nova visão sobre o processo de divisão, e como os pares recém-criados devem se comportar como ondas que se propagam em direções opostas.

Ainda existem várias etapas que devem ser trabalhadas para tornar essas descobertas mais relevantes para os aplicativos do mundo real, os pesquisadores notaram. Em células solares, por exemplo, elétrons devem ser eficientemente liberados de seu emparelhamento com buracos para coletar sua energia e melhorar o desempenho do painel solar.

Compreender a duplicação dos portadores de carga em um material pode ajudar os pesquisadores a melhor explicar e desenvolver processos reversos, também - como a tecnologia usada em alguns visores de telefones celulares que reduz o número de operadoras de carga (um processo conhecido como fusão tripla), disse Neaton.

Louie observou que a equipe multidisciplinar reunida para o estudo, um aspecto fundamental do centro C2SEPEM, foi fundamental na introdução de um novo pensamento para resolver um problema de décadas.

"Este é um dos primeiros tópicos importantes que poderíamos abordar, e agora se tornou realidade, " ele disse.