Metodologia experimental e espectros de absorção estática de P3HT. a A configuração experimental para espectroscopia de raios-X moles resolvida no tempo. Um pulso de bomba visível de 15 fs excita a transição π→π* em P3HT, e um pulso de raios X suave de attosegundos com retardo temporal sonda as bordas de absorção de carbono e enxofre. b O espectro de absorção visível das amostras de P3HT usadas neste trabalho e o espectro de pulso da bomba que está centrado no máximo da ressonância π→π* em P3HT. c Um espectro de raios-X suave típico que se estende até ~330 eV (linha preta). A linha vermelha é o espectro de absorção de raios-X da amostra P3HT, características de absorção no enxofre L1,2,3 e carbono K-edges são resolvidos simultaneamente. Crédito:Comunicação da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31008-w
Os pesquisadores rastrearam as primeiras frações de segundo após a luz atingir as células solares, fornecendo informações sobre como elas produzem eletricidade.
Sondar os primeiros momentos do processo de conversão de luz em eletricidade pode ajudar os pesquisadores a melhorar novas células solares, permitindo que produzam energia com mais eficiência.
O método, desenvolvido por pesquisadores do Imperial College de Londres, usa lasers e raios-X ultrarrápidos para provocar uma reação e depois medir as mudanças que ela causa em apenas femtossegundos (quadrilionésimos de segundo).
Agora, uma equipe de pesquisadores da Imperial e da Universidade de Newcastle usou a técnica para estudar materiais fotovoltaicos orgânicos (OPV) que coletam os raios do sol para produzir energia ou dividir a água.
Os materiais OPV estão sob intenso estudo, pois podem fornecer energia renovável mais barata. No entanto, muitos dos materiais atualmente utilizados são instáveis ou ineficientes, devido à complexa interação de elétrons que são excitados pela luz.
Estudo mais aprofundado das interações rápidas desses elétrons, como o artigo publicado hoje na
Nature Communications que combina resolução de tempo rápida com medições localizadas em átomos, fornece informações valiosas sobre métodos para melhorar células solares e catalisadores.
Dispositivos mais eficientes O professor Jon Marangos, do Departamento de Física da Imperial, diz que "os OPVs são alternativas baratas e flexíveis para os fotovoltaicos baseados em silício e, portanto, são uma perspectiva atraente para uso em futuras infraestruturas de geração de energia solar.
"Este trabalho demonstra o poder de nossa nova técnica de raios X resolvidos no tempo, que agora pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais e pode fornecer o entendimento necessário para a fabricação de dispositivos OPV mais eficientes".
A equipe investigou o primeiro passo da conversão da energia solar – as reações no material causadas pela incidência da luz. Eles primeiro dispararam um pulso de laser com duração de 15 femtossegundos no material para excitar a reação. Eles seguiram isso com um pulso de raios-X com duração de apenas attossegundos (menos de milionésimos de bilionésimo de segundo), que mediu as mudanças resultantes no material.
Estados em rápida evolução A equipe observou, pela primeira vez, assinaturas diretas de raios-X do estado inicial do material quando os elétrons são retirados de posição. Isso cria um par de elétron e "buraco", que pode se mover através do material.
Esse estado inicial evoluiu rapidamente para um novo estado mais estável em apenas 50 femtossegundos. Os cálculos do professor Tom Penfold da Universidade de Newcastle concordaram bem com as observações, mostrando que o estado inicial dependia da distância entre as cadeias de moléculas no material.
O Dr. Artem Bakulin, do Departamento de Química do Imperial, diz que "essa sensibilidade do método de raios X resolvidos no tempo para a dinâmica inicial do elétron ocorrendo diretamente após a excitação pela luz abre caminho para novos insights sobre a fotofísica de uma ampla gama de optoeletrônicos orgânicos e outros materiais."
A equipe agora planeja explorar a dinâmica de carga ultrarrápida em outros materiais semicondutores orgânicos, incluindo materiais recentemente descobertos que usam diferentes moléculas como aceptores de elétrons, que mostram maior eficiência de OPV.
+ Explorar mais Um passo em direção à energia solar mais barata
