Fisión de excitones - un fotón entra, dos electrones salen

La fisión de excitones podría ser muy útil para la fotovoltaica de alta eficiencia

24.04.2023 - Alemania

La fotovoltaica, la conversión de luz en electricidad, es una tecnología clave para la energía sostenible. Desde los tiempos de Max Planck y Albert Einstein, sabemos que tanto la luz como la electricidad están cuantizadas, lo que significa que vienen en diminutos paquetes llamados fotones y electrones. En una célula solar, la energía de un solo fotón se transfiere a un solo electrón del material, pero no a más de uno. Sólo unos pocos materiales moleculares, como el pentaceno, son una excepción, ya que en ellos un fotón se convierte en dos electrones. Esta duplicación de la excitación, que se denomina fisión de excitones, podría ser extremadamente útil para la fotovoltaica de alta eficiencia, concretamente para mejorar la tecnología dominante basada en el silicio. Un equipo de investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck, la Universidad Técnica de Berlín y la Julius-Maximilians-Universität de Würzburg ha descifrado ahora el primer paso de este proceso grabando una película ultrarrápida del proceso de conversión de fotones en electricidad, lo que resuelve un debate de décadas sobre el mecanismo del proceso.

"Cuando la luz excita el pentaceno, los electrones del material reaccionan rápidamente", explica Ralph Ernstorfer, autor principal del estudio. "Era una cuestión abierta y muy discutida si un fotón excita dos electrones directamente o inicialmente un electrón, que posteriormente comparte su energía con otro electrón".

Para desentrañar este misterio, los investigadores utilizaron la espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo, una técnica de vanguardia para observar la dinámica de los electrones en la escala temporal del femtosegundo, que es la milmillonésima parte de la millonésima parte de un segundo. Esta cámara ultrarrápida de cine electrónico les permitió captar por primera vez imágenes de los fugaces electrones excitados.

"Ver estos electrones fue crucial para descifrar el proceso", afirma Alexander Neef, del Instituto Fritz Haber y primer autor del estudio. "Un electrón excitado no sólo tiene una energía específica, sino que también se mueve en patrones distintos, que se denominan orbitales. Es mucho más fácil distinguir los electrones si podemos ver sus formas orbitales y cómo éstas cambian con el tiempo".

Con las imágenes de la película de electrones ultrarrápida a mano, los investigadores descompusieron por primera vez la dinámica de los electrones excitados basándose en sus características orbitales. "Ahora podemos afirmar con certeza que sólo un electrón se excita directamente e identificar el mecanismo del proceso de excitación-doblamiento", añade Alexander Neef.

Conocer el mecanismo de fisión de los excitones es esencial para utilizarlos en aplicaciones fotovoltaicas. Una célula solar de silicio mejorada con un material que duplique la excitación podría aumentar en un tercio la eficiencia de conversión de la energía solar en electricidad. Este avance podría tener enormes repercusiones, ya que la energía solar será la fuente de energía dominante del futuro. Ya hoy se están invirtiendo grandes sumas en la construcción de estas células solares de tercera generación.

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