p As células solares orgânicas têm o potencial de converter a luz do sol em energia elétrica de maneira econômica e ecologicamente correta. O desafio é que eles ainda funcionam com menos eficiência do que os semicondutores inorgânicos. Medições ultrarrápidas em células híbridas agora revelam uma rota para dobrar sua eficiência. p O uso de energia fotovoltaica orgânica para a produção de eletricidade a partir da luz solar oferece uma base atraente e promissora para um meio de fornecimento de energia inovador e ecologicamente correto. Eles podem ser fabricados de forma bastante econômica e, porque são flexíveis como filme plástico, eles podem ser processados ​​de forma flexível. O problema é que elas ainda são marcadamente menos eficientes do que as células semicondutoras inorgânicas convencionais. O processo mais crucial na conversão de luz em corrente elétrica é a geração de portadores gratuitos. Na primeira etapa da fotoconversão, após a absorção de luz, um componente da célula solar orgânica, geralmente um polímero, libera elétrons que são absorvidos pelo segundo componente da célula - neste caso, nanopartículas de silício - e podem ser transportados posteriormente.

p "Os mecanismos e a escala de tempo de separação de cargas têm sido objeto de debate científico controverso por muitos anos, "diz o professor de física da LMU Eberhard Riedle. Em cooperação com pesquisadores da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Bayreuth, Riedle e seu grupo agora foram capazes de dissecar o processo em detalhes. Para fazer isso, os pesquisadores usaram um novo tipo de célula híbrida contendo constituintes orgânicos e inorgânicos, em que o silício atua como o aceitador de elétrons. Com base nos insights obtidos com este sistema, eles desenvolveram uma estratégia de processamento para melhorar a ordem estrutural do polímero - e descobriram que isso aumenta a eficiência da separação de carga em semicondutores orgânicos em até duas vezes. Suas descobertas fornecem uma nova maneira de otimizar o desempenho das células solares orgânicas.

p A chave para essa descoberta está em um único, configuração experimental baseada em laser, que combina resolução temporal extremamente alta de 40 femtossegundos (fs) com uma detecção de banda muito larga. Isso permitiu que a equipe acompanhasse os processos ultrarrápidos induzidos pela absorção de fótons em tempo real conforme eles ocorrem. Em vez dos fulerenos usados ​​em células orgânicas típicas, os pesquisadores usaram o silício como o aceitador de elétrons, uma escolha que tem duas vantagens principais.

p "Primeiro, com essas novas células solares híbridas, fomos capazes de sondar os processos fotofísicos que ocorrem no polímero com maior precisão do que nunca, e em segundo lugar, através do uso de silício, um segmento muito maior do espectro solar pode ser aproveitado para eletricidade, "diz Riedle.

p Acontece que portadores de carga gratuita - os chamados polarons - não são gerados imediatamente após a fotoexcitação, mas com um atraso de cerca de 140 fs. A fotoexcitação primária de uma molécula de polímero primeiro leva à formação de um estado excitado, chamado de exciton. Isso então se dissocia, liberando um elétron, que é então transferido para o aceitador de elétrons. A perda de elétrons deixa "buracos" carregados positivamente no polímero e, como entidades com cargas opostas são atraídas umas às outras pela força de Coulomb, os dois tendem a se recombinar.

p "Para obter transportadoras gratuitas, elétron e buraco devem ser suficientemente móveis para superar a força de Coulomb, "explica Daniel Herrmann, o primeiro autor do novo estudo. A equipe foi capaz de mostrar, pela primeira vez, que isso é muito mais fácil de conseguir em polímeros com um estrutura regular do que com polímeros que são arranjados caoticamente. Em outras palavras, um alto grau de auto-organização do polímero aumenta significativamente a eficiência da separação de carga.

p “O polímero que usamos é um dos poucos conhecidos por apresentar tendência a se auto-organizar. Essa tendência pode ser inibida, mas também se pode aumentar a propensão intrínseca do polímero para a auto-organização, escolhendo os parâmetros de processamento apropriados, "Herrmann explica. Otimizando de forma inteligente o processamento do polímero P3HT, os pesquisadores conseguiram dobrar o rendimento de portadores de carga gratuita - e, assim, aumentar significativamente a eficiência de suas células solares experimentais.