Quattro impulsi di luce laser su fotocellule a nanoparticelle in un esperimento di spettroscopia dell'Università dell'Oregon hanno aperto una finestra su come la luce solare catturata può essere convertita in elettricità.

Il lavoro, che potenzialmente potrebbero ispirare dispositivi con una maggiore efficienza nella conversione dell'energia solare, è stato eseguito su fotocellule che utilizzavano punti quantici di solfuro di piombo come materiale semiconduttore fotoattivo. La ricerca è dettagliata in un paper messo online dalla rivista Comunicazioni sulla natura .

Nel processo studiato, ogni singolo fotone, o particella di luce solare, che viene assorbito crea potenzialmente più pacchetti di energia chiamati eccitoni. Questi pacchetti possono successivamente generare più elettroni liberi che generano elettricità in un processo noto come generazione di eccitoni multipli (MEG). Nella maggior parte delle celle solari, ogni fotone assorbito crea un solo elettrone potenziale libero.

La generazione di più eccitoni è interessante perché può portare a celle solari che generano più corrente elettrica e le rendono più efficienti. Il lavoro dell'UO getta nuova luce sul processo poco compreso del MEG nei nanomateriali.

Mentre la potenziale importanza del MEG nella conversione dell'energia solare è oggetto di dibattito da parte degli scienziati, l'esperimento di spettroscopia UO, adattato in collaborazione con scienziati dell'Università svedese di Lund, dovrebbe essere utile per studiare molti altri processi nei nanomateriali fotovoltaici, ha detto Andrew H. Marcus, professore ordinario di chimica fisica e capo dell'UO Dipartimento di Chimica e Biochimica.

Gli esperimenti spettroscopici precedentemente progettati da Marcus per eseguire la spettroscopia a fluorescenza bidimensionale di molecole biologiche sono stati adattati per misurare anche la fotocorrente. "La spettroscopia riguarda la luce e le molecole e ciò che fanno insieme, " Ha detto Marcus. "Si tratta di una sonda davvero grande che aiuta a raccontarci il percorso di reazione che collega l'inizio di un processo chimico o fisico alla sua fine.

"L'approccio è simile a guardare come le molecole si uniscono nel DNA, ma invece abbiamo esaminato le interazioni all'interno dei materiali semiconduttori, " disse Marco, un affiliato all'Istituto di Biologia Molecolare dell'UO, Istituto di scienza dei materiali e Centro per l'ottica dell'Oregon. "Il nostro metodo ha permesso di esaminare i percorsi elettronici coinvolti nella creazione di più eccitoni. L'esistenza di questo fenomeno era stata dedotta solo attraverso prove indirette. Riteniamo di aver visto i passaggi iniziali che portano alla fotoconduttività mediata da MEG".

Il sequenziamento controllato degli impulsi laser ha permesso al gruppo di ricerca di sette membri di vedere, in femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo), l'arrivo della luce, la sua interazione con gli elettroni a riposo e la successiva conversione in eccitoni multipli. L'uso combinato della spettroscopia bidimensionale a fotocorrente e a fluorescenza, Marco ha detto, fornito informazioni complementari sulla via di reazione.

Co-autore dell'UO Mark C. Lonergan, professore di chimica fisica e dei materiali, che studia i fenomeni elettrici ed elettrochimici nei sistemi allo stato solido, ha paragonato i processi osservati a persone che si muovono attraverso un labirinto di mais che ha un ingresso e tre uscite.

Le persone che entrano nel labirinto sono fotoni. Quelli che escono rapidamente rappresentano fotoni assorbiti che generano calore inutilizzabile. Le persone che escono dalla seconda uscita rappresentano altri fotoni assorbiti che generano fluorescenza ma non elettroni liberi utilizzabili. Le persone che lasciano l'uscita finale indicano corrente elettrica utilizzabile.

"La domanda che ci interessa è esattamente che aspetto ha il labirinto, " Ha detto Lonergan. "Il problema è che non abbiamo buone tecniche per guardare all'interno del labirinto per scoprire i possibili percorsi attraverso di esso. Le tecniche che Andy ha sviluppato fondamentalmente ci permettono di vedere nel labirinto codificando ciò che sta uscendo dal sistema in termini di esattamente ciò che sta entrando. Possiamo visualizzare cosa sta succedendo, se due persone che entrano nel labirinto si siano strette la mano ad un certo punto e dettagli sul percorso che le ha portate a uscire dall'uscita dell'elettricità."

Il progetto è iniziato quando Tonu Pullerits, che studia la fotochimica ultraveloce nei materiali molecolari semiconduttori all'Università di Lund, chiese a Marcus di adottare il suo sistema spettroscopico per osservare i materiali solari. Khadga J. Karki, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Pullerits, poi ha visitato l'UO e ha collaborato con i gruppi Marcus e Lonergan per riconfigurare l'attrezzatura.