p (Phys.org) —Dissipação e decoerência são normalmente consideradas prejudiciais à eficiência da célula solar, mas em um novo artigo, os cientistas mostraram que esses efeitos, paradoxalmente, tornam o tempo de vida do exciton em nanotubos de carbono semicondutores 50 vezes mais longo do que antes, o que leva a uma maior eficiência geral. Os resultados fornecem novas diretrizes para explorar novos materiais fotovoltaicos que podem oferecer eficiências inesperadamente altas. p Os cientistas, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, e Masatoshi Imada na Universidade de Tóquio (Yamada está atualmente na Universidade de Osaka), publicaram um artigo sobre o aumento da vida útil do exciton contra-intuitivo em uma edição recente da Cartas de revisão física .

p “O princípio de melhor eficiência por dissipação de energia e decoerência já foi inferido pelo processo de fotossíntese nos cloroplastos, "os autores disseram Phys.org . "Contudo, permaneceu como especulação até agora. "

p Como explicam os pesquisadores, compreender esse aprimoramento requer uma compreensão microscópica de como a energia é convertida da luz do sol em eletricidade - ou, em termos de partículas, de fótons em excitons, o último dos quais são estados ligados de um elétron e um buraco de elétron.

p Neste processo de conversão de energia, geralmente há uma compensação quando se trata da taxa de absorção de fótons do material fotovoltaico. Uma alta taxa de absorção é benéfica para a primeira etapa, quando excitons são gerados a partir de fótons que chegam, mas prejudicial em uma etapa posterior, quando os elétrons e buracos de elétrons devem ser separados em eletrodos diferentes. Infelizmente, antes que esta separação de carga possa ocorrer, a alta taxa de absorção faz com que mais excitons se recombinem rapidamente em fótons, que são emitidos de volta para o meio ambiente.

p No novo estudo, os cientistas mostraram que existe uma maneira de colher os benefícios de uma alta taxa de absorção sem pagar o preço mais tarde, porque a recombinação de excitons pode ser suprimida - surpreendentemente - por dissipação e decoerência. Normalmente, esses dois efeitos são considerados prejudiciais à eficiência fotovoltaica:dissipação de energia significa que parte da energia é perdida para o meio ambiente; e devido à decoerência, a coerência quântica entre fótons e excitons que ajuda a promover a geração de excitons perde sua quanticidade e se torna clássica.

p Apesar dessas desvantagens, os pesquisadores aqui mostraram que uma certa quantidade de dissipação, combinado com uma coexistência ideal de coerência e decoerência, pode aumentar o tempo de vida do exciton para que ele tenha tempo suficiente para se separar em um elétron e buraco antes que a recombinação ocorra.

p "Normalmente, o processo de separação leva muito mais tempo do que o processo de recombinação, "explicaram os autores." Portanto, precisamos alongar o tempo de vida do exciton para esperar até que o processo de separação funcione. "

p Para fazer isso, o mecanismo transforma "excitons brilhantes" de vida curta em "excitons escuros de vida mais longa, "que vivem o suficiente para serem separados em um elétron e um buraco sem sucumbir à recombinação. A chave para essa transformação é que a dissipação e a decoerência impõem uma transformação quântica em clássica desejável que torna esse processo irreversível:um exciton escuro não pode ser transformado de volta em uma excitação brilhante. Como os pesquisadores explicaram, descobrir isso não foi fácil de fazer.

p "O processo de crossover quântico-clássico acompanhado de dissipação está no cerne dos difíceis problemas de muitos corpos de desequilíbrio, e resolvê-lo requer o desenvolvimento de uma ferramenta computacional eficiente com uma nova formulação teórica, "disseram os autores." Depois de resolver a equação mestre quântica formulada, o princípio de otimizar a decoerência e dissipação para a melhor eficiência foi estabelecido no presente trabalho. Isso derrubou a noção do senso comum de que uma melhor eficiência deve ser buscada em materiais com melhor "rendimento quântico" que têm uma taxa de fotoluminescência mais alta. Ele nos fornece novas diretrizes. "

p Como os cientistas explicaram, parte da razão pela qual o benefício da supressão de recombinação de dissipação e decoerência passou despercebido até agora é que o mecanismo paradoxalmente causa uma diminuição na fotoluminescência, ou emissão de luz, de modo que um material com esses efeitos pareceria à primeira vista pouco promissor como dispositivo fotovoltaico. Contudo, a diminuição da fotoluminescência é resultado do fato de que o mecanismo converte excitons brilhantes (que emitem luz) em excitons escuros (que não emitem). Portanto, embora mais excitons escuros façam o material parecer escuro, são eles que permitem ao material converter luz em eletricidade com alta eficiência.

p "Na próxima etapa, precisamos urgentemente esclarecer como a separação do exciton em um elétron e um buraco ocorre com o transporte deles para os eletrodos opostos para gerar uma força eletromotriz, desde que sua recombinação para um fóton seja suprimida no presente mecanismo, "disseram os autores." Isso requer um processo de evolução de tempo muito mais longo e complexo. Outra direção de pesquisa é, obviamente, projetar uma célula solar com melhor eficiência, utilizando os princípios e diretrizes atuais. Isso pode ser feito para novos candidatos de materiais. " p © 2015 Phys.org