Gli scienziati del Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono ora in grado di catturare il momento in meno di un trilionesimo di secondo in cui una particella di luce colpisce una cella solare e diventa energia, e descrivere per la prima volta la fisica del portatore di carica e del movimento dell'atomo.

La generazione e la dissociazione di elettroni legati e coppie di lacune, vale a dire eccitoni, sono processi chiave nelle tecnologie delle celle solari e fotovoltaiche, tuttavia è difficile seguire le loro dinamiche iniziali e la loro coerenza elettronica.

Utilizzando la spettroscopia a bassa frequenza risolta nel tempo nella regione spettrale dei terahertz, i ricercatori hanno esplorato le fotoeccitazioni di una nuova classe di materiali fotovoltaici noti come perovskiti agli alogenuri organometallici. Gli organometallici sono materiali meravigliosi per i dispositivi di raccolta della luce e di trasporto elettronico, e combinano il meglio di entrambi i mondi:le elevate prestazioni di conversione energetica dei tradizionali dispositivi fotovoltaici inorganici, con i costi economici dei materiali e i metodi di fabbricazione delle versioni organiche.

"Questi dispositivi sono così nuovi e così unici che il meccanismo mediante il quale una particella di luce, o fotone, converte in vettori di carica e come si muovono in modo concertato per la conversione dell'energia non è ben compreso, eppure questo è il processo più fondamentale nelle tecnologie delle celle solari e fotovoltaiche, " ha detto Jigang Wang, uno scienziato dell'Ames Laboratory e professore associato di fisica alla Iowa State University. "Perché questo materiale è così distinto? Questa è stata la grande domanda nella comunità scientifica, e ha portato a una febbre di ricerca e pubblicazione."

I ricercatori dell'Ames Laboratory volevano sapere non solo come la generazione e la dissociazione di elettroni legati e coppie di lacune, vale a dire eccitoni, è successo nel materiale, volevano scoprire i percorsi quantistici e l'intervallo di tempo di quell'evento.

"Se osservi il processo naturale, nella fotosintesi, è un processo estremamente efficiente in alcune molecole biologiche, quindi è anche molto coerente. Vediamo una cosa simile in un sistema artificiale di un laser; un laser oscilla secondo uno schema d'onda fisso, " ha detto Wang. "Se possiamo misurare una tale memoria nel trasporto di carica e nella migrazione di energia in questi materiali, possiamo capirlo e controllarlo, e avere il potenziale per migliorarli imparando da Madre Natura".

I multimetri convenzionali per la misurazione degli stati elettrici nei materiali non funzionano per la misurazione degli eccitoni, che sono quasiparticelle elettricamente neutre senza corrente nulla. Le tecniche di spettroscopia terahertz ultraveloce hanno fornito una sonda senza contatto in grado di seguire le loro strutture interne, e quantificare l'evento fotone-eccitone con una risoluzione temporale migliore di un trilionesimo di secondo.

Wang ha attribuito il significato della scoperta ai contributi dei ricercatori provenienti da più aree di competenza del Laboratorio Ames. "Questo è stato possibile solo con la collaborazione di esperti in progettazione e fabbricazione dei materiali, teoria computazionale, e spettroscopia, "ha detto. "Avere queste capacità in un unico posto è ciò che rende il Laboratorio Ames uno dei luoghi più lungimiranti in questo tipo di ricerca sui materiali fotonici".

La ricerca è ulteriormente discussa in un documento, "Istantanee terahertz ultraveloci di stati di Rydberg eccitonici e coerenza elettronica in una perovskite di alogenuri organometallici", scritto da Liang Luo, Uomini lunghi, Zhaoyu Liu, Yaroslav Mudryk, Xin Zhao, Yongxin Yao, Joong M. Park, Ruth Shinar, Giuseppe Shinar, Kai-Ming Ho, Ilias E. Perakis, Javier Vela, e Jigang Wang; e pubblicato in Comunicazioni sulla natura .