Le celle solari offrono l'opportunità di raccogliere abbondanti, energia rinnovabile. Sebbene la luce a più alta energia si trovi nello spettro ultravioletto e visibile, la maggior parte dell'energia solare è nell'infrarosso. C'è un compromesso nel raccogliere questa luce, in modo che le celle solari siano efficienti nell'infrarosso ma sprecano gran parte dell'energia disponibile dai fotoni più energetici nella parte visibile dello spettro.

Quando un fotone viene assorbito crea una singola eccitazione elettronica che viene poi separata in un elettrone e una lacuna carica positivamente, indipendentemente dall'energia luminosa. Un modo per migliorare l'efficienza è dividere in due l'energia disponibile dai fotoni visibili, che porta ad un raddoppio della corrente nella cella solare.

I ricercatori di Cambridge e Mons hanno studiato il processo in cui l'eccitazione elettronica iniziale può dividersi in una coppia di eccitazioni a metà energia. Ciò può accadere in alcune molecole organiche quando l'effetto quantomeccanico dello spin dell'elettrone imposta lo stato iniziale di "singolo" di spin in modo che sia il doppio dell'energia della disposizione alternativa di "tripletto" di spin.

Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Chimica della natura , mostra che questo processo di fissione singoletto a coppie di triplette dipende molto sensibilmente dalle interazioni tra le molecole. Studiando questo processo quando le molecole sono in soluzione è possibile controllare quando questo processo è acceso.

Quando il materiale è molto diluito, la distanza tra le molecole è grande e la fissione singoletto non si verifica. Quando la soluzione è concentrata, le collisioni tra le molecole diventano più frequenti. I ricercatori scoprono che il processo di fissione avviene non appena due di queste molecole sono in contatto, e notevolmente, quella fissione di singoletto è quindi completamente efficiente, così che ogni fotone produce due triplette.

Questo studio fondamentale fornisce nuove informazioni sul processo di fissione di singoletto e dimostra che l'uso della fissione di singoletto è un percorso molto promettente per migliorare le celle solari. I chimici saranno in grado di utilizzare i risultati per creare nuovi materiali, dicono che il team del Cavendish Laboratory di Cambridge, che stanno attualmente lavorando su come utilizzare queste soluzioni nei dispositivi.

"Abbiamo iniziato tornando ai fondamentali; guardando la sfida dell'energia solare da una prospettiva dei cieli blu, "ha detto il dottor Brian Walker, un ricercatore nel gruppo di optoelettronica del Cavendish Lab, che ha condotto lo studio.

"La fissione singoletto offre un percorso per aumentare l'efficienza delle celle solari utilizzando materiali a basso costo. Stiamo solo iniziando a capire come funziona questo processo, e man mano che impariamo di più, ci aspettiamo miglioramenti nella tecnologia da seguire".

Il team ha utilizzato una combinazione di esperimenti laser, che misurano i tempi con estrema precisione, con metodi chimici utilizzati per studiare i meccanismi di reazione. Questo duplice approccio ha permesso ai ricercatori di rallentare la fissione e osservare un passaggio intermedio chiave mai visto prima.

"Pochissimi altri gruppi al mondo hanno apparecchi laser versatili come il nostro a Cambridge, " ha aggiunto Andrew Musser, un ricercatore che ha collaborato allo studio. "Questo ci ha permesso di fare un passo avanti verso il modo esatto in cui si verifica la fissione singoletto".