Primeiros filmes em tempo real da conversão de luz em corrente em uma célula solar orgânica
p Esta tira de filme contém frames retirados da simulação quântica de uma parte de uma célula solar orgânica. A quantidade representada ilustra as oscilações em forma de onda de um elétron depois que a luz do sol é absorvida no tempo 0. A escala de tempo está em femtossegundos (fs). [Um fs é um milionésimo de bilionésimo de segundo.] As duas partes do sistema separadas por um pequeno espaço atuam como os pólos de uma bateria microscópica operada pelo sol. Cada quadro representa uma cena com cerca de 2 nanômetros de largura. Crédito:Carlo A. Rozzi, Istituto Nanoscienze Cnr
p As células fotovoltaicas convertem diretamente a luz solar em eletricidade e, portanto, são dispositivos tecnológicos fundamentais para enfrentar um dos desafios que a humanidade tem que enfrentar neste século:uma produção sustentável e limpa de energia renovável. Células solares orgânicas, usando materiais poliméricos para capturar a luz do sol, têm propriedades particularmente favoráveis. Eles são de baixo custo, leve e flexível, e sua cor pode ser adaptada variando a composição do material. Essas células solares normalmente consistem em misturas nanoestruturadas de polímeros conjugados (longas cadeias de átomos de carbono), atuando como absorvedores de luz, e fulerenos (bolas de futebol de carbono em nanoescala), atuando como aceitadores de elétrons. A etapa principal e mais elementar no processo de conversão de luz em corrente, a transferência induzida pela luz de um elétron do polímero para o fulereno, ocorre em uma velocidade tão impressionante que anteriormente era difícil segui-la diretamente. p Agora, uma equipe de pesquisadores alemães e italianos de Oldenburg, Modena e Milano relataram os primeiros filmes em tempo real do processo de conversão de luz em corrente em uma célula solar orgânica. Em um relatório publicado na edição de 30 de maio de
Ciência revista, os pesquisadores mostram que a mecânica quântica, A natureza ondulatória dos elétrons e seu acoplamento aos núcleos é de fundamental importância para a transferência de carga em um dispositivo fotovoltaico orgânico.
p "Nossos resultados iniciais foram realmente muito surpreendentes", diz Christoph Lienau, um professor de física da Universidade de Oldenburg que liderou a equipe de pesquisa. "Quando usamos extremamente curtos, pulsos de luz de femtossegundo para iluminar a camada de polímero em uma célula orgânica, descobrimos que os pulsos de luz induziam oscilação, movimento vibracional das moléculas de polímero. Inesperadamente, Contudo, vimos que também as moléculas de fulereno começaram a vibrar sincronicamente. Não poderíamos entender isso sem assumir que os pacotes de ondas eletrônicas excitados pelos pulsos de luz oscilariam de forma coerente entre o polímero e o fulereno. "Todos os colegas com quem os cientistas discutiram esses resultados iniciais, obtido pela estudante de doutorado Sarah Falke de Oldenburg em estreita colaboração com a equipe de Giulio Cerullo do Politecnico di Milano, especialistas líderes em espectroscopia ultrarrápida, estavam céticos. "Em tais misturas orgânicas, a morfologia da interface entre o polímero e o fulereno é muito complexa e as duas porções não estão ligadas covalentemente ", diz Lienau, "portanto, não se pode esperar que a coerência vibrônica persista mesmo em temperatura ambiente. Por isso, pedimos a Elisa Molinari e Carlo A. Rozzi, do Istituto Nanoscienze do CNR e da Universidade de Modena e Reggio Emilia, para obter ajuda. "Uma série de simulações sofisticadas de dinâmica quântica, realizada por Rozzi e colegas, forneceu filmes impressionantes da evolução da nuvem eletrônica e dos núcleos atômicos neste sistema, que são responsáveis pelas oscilações encontradas nos experimentos. "Nossos cálculos indicam", diz Molinari, "que o acoplamento entre elétrons e núcleos é de importância crucial para a eficiência de transferência de carga. Ajustar esse acoplamento variando a morfologia e a composição do dispositivo, portanto, pode ser importante para otimizar a eficiência do dispositivo".
Simulação quântica em tempo real da conversão de luz em corrente em uma célula solar orgânica composta por uma cadeia de polímero, e uma fulerena fulerena. O filme dura cerca de 100 femtossegundos (fs), e é desacelerado em cerca de trezentos mil bilhões de vezes em relação ao fenômeno real, a fim de tornar a escala de tempo ultrarrápida visível para os humanos. A quantidade representada ilustra as oscilações em forma de onda de um elétron depois que a luz é absorvida no tempo 0. Cada vez que o "bulbo" superior (na verdade, uma molécula de fulereno) acende, uma corrente flui da parte inferior para a parte superior da célula solar em miniatura. A inserção quantifica a quantidade de carga transferida do polímero para o Fulereno em função do tempo. Crédito:Carlo A. Rozzi, Istituto Nanoscienze Cnr p Os novos resultados levarão imediatamente a melhores células solares? "Esses estudos espectroscópicos ultrarrápidos, e, em particular, sua comparação com a modelagem teórica avançada, fornecem uma visão impressionante e direta dos fenômenos fundamentais que iniciam o processo fotovoltaico orgânico. Acabam por ser muito semelhantes às estratégias desenvolvidas pela Natureza na fotossíntese. ", diz Lienau. "Estudos recentes indicam que a coerência quântica aparentemente desempenha um papel importante nesse caso. Nosso novo resultado fornece evidências para fenômenos semelhantes em dispositivos fotovoltaicos artificiais funcionais:um avanço conceitual que poderia ser usado para orientar o projeto de futuros sistemas artificiais de coleta de luz em um tentativa de igualar a eficiência ainda incomparável dos naturais. "
