Metodologia sperimentale e spettri di assorbimento statico di P3HT. a La configurazione sperimentale per la spettroscopia a raggi X molli risolta nel tempo. Un impulso di pompa visibile di 15 fs eccita la transizione π→π* in P3HT e un impulso di raggi X morbidi ad attosecondi temporalmente ritardato sonda i bordi di assorbimento del carbonio e dello zolfo. b Lo spettro di assorbimento visibile dei campioni P3HT utilizzati in questo lavoro e lo spettro dell'impulso della pompa che è centrato al massimo della risonanza π→π* in P3HT. c Un tipico spettro di raggi X morbidi che si estende a ~330 eV (linea nera). La linea rossa è lo spettro di assorbimento dei raggi X del campione P3HT, caratteristiche di assorbimento allo zolfo L1,2,3 e i bordi K del carbonio vengono risolti simultaneamente. Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31008-w
I ricercatori hanno tracciato le prime frazioni di secondo dopo che la luce ha colpito le celle solari, fornendo informazioni su come producono elettricità.
Sondare i primi momenti del processo di conversione della luce in elettricità potrebbe aiutare i ricercatori a migliorare le nuove celle solari, consentendo loro di produrre energia in modo più efficiente.
Il metodo, sviluppato dai ricercatori dell'Imperial College London, utilizza laser e raggi X ultraveloci per provocare una reazione e quindi per misurare i cambiamenti che provoca in pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo).
Ora, un team di ricercatori dell'Imperial e dell'Università di Newcastle ha utilizzato la tecnica per studiare i materiali organici fotovoltaici (OPV) che raccolgono i raggi solari per produrre energia o per scindere l'acqua.
I materiali OPV sono oggetto di studio approfondito in quanto possono fornire energia rinnovabile più economica. Tuttavia, molti dei materiali attualmente utilizzati sono instabili o inefficienti, a causa della complessa interazione degli elettroni eccitati dalla luce.
Studio più approfondito delle interazioni veloci di questi elettroni, come il documento pubblicato oggi su Nature Communications che combina una rapida risoluzione temporale con misurazioni localizzate sugli atomi, fornisce preziose informazioni sui metodi per migliorare le celle solari e i catalizzatori.
Dispositivi più efficienti
Il professor Jon Marangos, del Dipartimento di Fisica dell'Imperial, afferma che "gli OPV sono alternative economiche e flessibili al fotovoltaico a base di silicio e quindi sono una prospettiva interessante da utilizzare nelle future infrastrutture di generazione di energia solare.
"Questo lavoro dimostra la potenza della nostra nuova tecnica a raggi X risolta nel tempo, che ora può essere applicata a una gamma più ampia di materiali e può fornire la comprensione necessaria per realizzare dispositivi OPV più efficienti".
Il team ha sondato il primo passo della conversione dell'energia solare:le reazioni nel materiale causate dal colpo di luce. Per prima cosa hanno sparato un impulso laser della durata di 15 femtosecondi sul materiale per eccitare la reazione. Hanno seguito questo con un impulso di raggi X della durata di appena attosecondi (meno di milionesimi di miliardesimo di secondo), che ha misurato i cambiamenti risultanti nel materiale.
Stati in rapida evoluzione
Il team ha osservato, per la prima volta, le firme di raggi X dirette dello stato iniziale del materiale quando gli elettroni vengono eliminati dalla posizione. Questo crea una coppia di elettroni e "buche", che può muoversi attraverso il materiale.
Questo stato iniziale si è rapidamente evoluto in un nuovo stato più stabile in soli 50 femtosecondi. I calcoli del professor Tom Penfold dell'Università di Newcastle concordavano bene con le osservazioni, mostrando che lo stato iniziale dipendeva dalla distanza tra le catene di molecole nel materiale.
Il Dr. Artem Bakulin, del Dipartimento di Chimica dell'Imperial, afferma che "questa sensibilità del metodo a raggi X risolti nel tempo alla dinamica elettronica iniziale che si verifica direttamente dopo l'eccitazione della luce apre la strada a nuove intuizioni sulla fotofisica di un'ampia gamma di optoelettronica organica e altri materiali."
Il team ora ha in programma di esplorare la dinamica della carica ultraveloce in altri materiali semiconduttori organici, compresi i materiali scoperti di recente che utilizzano diverse molecole come accettori di elettroni, che mostrano una maggiore efficienza OPV. + Esplora ulteriormente
