Oamenii de știință de la Universitatea Cambridge au descoperit un mecanism care ar putea revoluționa eficiența panourilor solare din viitor. Folosind o metodă complet nouă, fizicienii au descoperit cum să „catapulteze” electronii prin materiale solare într-o fracțiune de timp aproape imposibil de conceput: câteva cvadrilioane de secundă. Această inovație deschide calea către celule solare organice nu doar mai ieftine de produs, ci capabile să genereze cantități mult mai mari de energie electrică dintr-un spectru de lumină pe care panourile clasice îl pierd.
Vibrațiile moleculare pot lansa electronii prin materialele solare mult mai repede decât și-ar fi imaginat cineva anterior, arată un nou studiu. Aceste descoperiri fascinante ar putea ajuta oamenii de știință să găsească modalități mult mai eficiente de a transforma energia solară în electricitate, potrivit cercetării publicate pe 5 martie în revista Nature Communications.
„Practic, observăm cum electronii migrează în același ritm cu atomii înșiși”, a declarat într-un comunicat coautorul studiului, Pratyush Ghosh, un cercetător care studiază spectroscopia ultra-rapidă la Universitatea din Cambridge.
Ce sunt celulele solare organice și de ce eficiența lor este crucială?
Celulele solare organice reprezintă o alternativă promițătoare. Acestea utilizează molecule pe bază de carbon, în loc de clasicul siliciu, pentru a transforma lumina solară în energie electrică. În teorie, celulele solare organice ar putea furniza această energie la un cost mult mai mic decât panourile convenționale, dar, până acum, au fost mult mai puțin eficiente.
Cum funcționează? Într-o celulă solară organică tipică, un donator de electroni și un acceptor de electroni sunt prinși ca într-un sandviș între doi electrozi conductori. Când lumina lovește celula, aceasta generează un „exciton” — o pereche electron-gaură. Excitonii se separă exact la interfața dintre donator și acceptor, generând astfel energie electrică.
Pentru a realiza un transfer rapid de sarcină la această interfață și pentru a limita pierderile de energie, moleculele donatoare și acceptoare au, de obicei, o cuplare electronică puternică (o suprapunere între stările lor electronice), ceea ce permite sarcinilor să se deplaseze ușor între molecule. De asemenea, ele au adesea o diferență mare de energie între ele, dar tocmai acest aspect limitează tensiunea disponibilă din dispozitiv.
Aici intervine inovația. În noul studiu, cercetătorii au observat un transfer de sarcină ultra-rapid la o joncțiune dintre donatorul de electroni și acceptorul de electroni dintr-o celulă solară organică, fără a fi nevoie să se conformeze vreuneia dintre aceste constrângeri vechi.
Echipa a folosit un impuls laser scurt pentru a excita donatorul de electroni — un polimer numit TS-P3 — și apoi a folosit un laser diferit pentru a măsura modul în care sistemul s-a modificat în timpul transferului de sarcină. Acest transfer a avut loc în doar 18 femtosecunde — adică aproximativ la fel de repede cum vibrează o singură moleculă (ca să ne facem o idee, o femtosecundă reprezintă a milioana parte dintr-o miliardime de secundă). Pentru context, câteva alte sisteme fără forțe motrice puternice prezintă un transfer de sarcină în 100 până la 200 de femtosecunde, dar majoritatea au nevoie de un timp de zece până la o mie de ori mai lung.
„A vedea acest lucru întâmplându-se la această scară de timp, în cadrul unei singure vibrații moleculare, este extraordinar”, a spus Ghosh în declarație.
O „catapultă moleculară” în acțiune
Această scală de timp similară nu a fost o simplă coincidență. Într-o a doua serie de experimente cu laser, echipa a descoperit că vibrațiile din molecula donatoare de polimer au lansat pur și simplu un electron peste joncțiune către o moleculă acceptor. Când electronul a ajuns la destinație, a declanșat vibrații suprapuse în molecula acceptor. Această suprapunere a permis ca transferul de sarcină să se producă mult mai rapid decât se aștepta, totul fără a fi nevoie de o cuplare puternică sau de o diferență mare de energie.
„În loc să se deplaseze aleatoriu, electronul este lansat într-o singură rafală coerentă”, a declarat Ghosh. „Vibrația acționează ca o catapultă moleculară. Vibrațiile nu doar însoțesc procesul, ci îl conduc în mod activ.”
Descoperirile ajută la explicarea proceselor care controlează viteza transferului de sarcină și trasează noi strategii pentru proiectarea de celule solare organice și materiale de ultimă generație, au scris cercetătorii în studiu.
„În loc să încercăm să suprimăm mișcarea moleculară, putem acum proiecta materiale care o utilizează — transformând vibrațiile dintr-o limitare într-un instrument”, a declarat în comunicat coautorul studiului Akshay Rao, fizician la Cambridge.
Dacă această tehnologie va fi scalată cu succes la nivel industrial, viitoarea generație de panouri solare ar putea depăși treptat limitările panourilor rigide pe siliciu, oferind soluții de energie regenerabilă mult mai flexibile și mai eficiente pentru fațade, vehicule și dispozitive inteligente.
