(Phys.org) — La dissipazione e la decoerenza sono generalmente considerate dannose per l'efficienza delle celle solari, ma in un nuovo articolo gli scienziati hanno dimostrato che questi effetti paradossalmente rendono la vita degli eccitoni nei nanotubi di carbonio semiconduttori 50 volte più lunga di prima, che porta ad una maggiore efficienza complessiva. I risultati forniscono nuove linee guida per esplorare nuovi materiali fotovoltaici che possono offrire efficienze inaspettatamente elevate.

Gli scienziati, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, e Masatoshi Imada all'Università di Tokyo (Yamada è attualmente all'Università di Osaka), hanno pubblicato un articolo sul miglioramento controintuitivo della vita degli eccitoni in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Il principio di una migliore efficienza per dissipazione di energia e decoerenza è già stato dedotto dal processo di fotosintesi ai cloroplasti, " raccontavano gli autori Phys.org . "Però, è rimasta come speculazione fino ad ora."

Come spiegano i ricercatori, comprendere questo miglioramento richiede una comprensione microscopica del modo in cui l'energia viene convertita dalla luce solare in elettricità o, in termini di particelle, dai fotoni agli eccitoni, gli ultimi dei quali sono stati legati di un elettrone e di una lacuna elettronica.

In questo processo di conversione dell'energia, di solito c'è un compromesso quando si tratta del tasso di assorbimento dei fotoni del materiale fotovoltaico. Un alto tasso di assorbimento è vantaggioso per la prima fase quando gli eccitoni vengono generati dai fotoni in ingresso, ma dannoso in una fase successiva quando gli elettroni e i fori di elettroni devono essere separati su elettrodi diversi. Sfortunatamente, prima che questa separazione di carica possa verificarsi, l'alto tasso di assorbimento fa sì che più eccitoni si ricombinino rapidamente in fotoni, che vengono reimmessi nell'ambiente.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che c'è un modo per raccogliere i benefici di un alto tasso di assorbimento senza pagarne il prezzo in seguito, perché la ricombinazione degli eccitoni può essere soppressa, in modo abbastanza sorprendente, dalla dissipazione e dalla decoerenza. Normalmente, questi due effetti sono considerati dannosi per l'efficienza fotovoltaica:la dissipazione di energia significa che parte dell'energia viene dispersa nell'ambiente; e per decoerenza, la coerenza quantistica tra fotoni ed eccitoni che aiuta a promuovere la generazione di eccitoni perde la sua quantistica e diventa classica.

Nonostante questi inconvenienti, i ricercatori qui hanno mostrato che una certa quantità di dissipazione, combinato con una coesistenza ottimale di coerenza e decoerenza, può aumentare la durata dell'eccitone in modo che abbia abbastanza tempo per separarsi in un elettrone e in una lacuna prima che avvenga la ricombinazione.

"Normalmente, il processo di separazione richiede molto più tempo del processo di ricombinazione, " hanno spiegato gli autori. "Pertanto, dobbiamo allungare la durata degli eccitoni per attendere che il processo di separazione funzioni".

Per fare questo, il meccanismo trasforma "eccitoni luminosi" di breve durata in "eccitoni oscuri" di lunga durata, " che vivono abbastanza a lungo da essere separati in un elettrone e una lacuna senza soccombere alla ricombinazione. La chiave di questa trasformazione è che la dissipazione e la decoerenza impongono una trasformazione desiderabile da quantistica a classica che rende questo processo irreversibile:un eccitone oscuro non può essere trasformato indietro in un brillante eccitone. Come hanno spiegato i ricercatori, capirlo non è stato facile.

"Il processo di crossover quantistico-classico accompagnato dalla dissipazione è al centro di difficili problemi a molti corpi di non equilibrio, e risolverlo richiede lo sviluppo di uno strumento di calcolo efficiente con una nuova formulazione teorica, " hanno detto gli autori. "Dopo aver risolto l'equazione principale quantistica formulata, il principio dell'ottimizzazione della decoerenza e della dissipazione per la migliore efficienza è stato stabilito nel presente lavoro. Ha ribaltato la nozione di buon senso secondo cui si dovrebbe perseguire una migliore efficienza in materiali con una migliore "resa quantistica" che hanno un tasso di fotoluminescenza più elevato. Ci fornisce nuove linee guida".

Come hanno spiegato gli scienziati, parte del motivo per cui il beneficio della soppressione della ricombinazione della dissipazione e della decoerenza è passato inosservato fino ad ora è che il meccanismo provoca paradossalmente una diminuzione della fotoluminescenza, o emissione di luce, così che un materiale con questi effetti sembrerebbe a prima vista poco promettente come un dispositivo fotovoltaico. Però, la diminuzione della fotoluminescenza è dovuta al fatto che il meccanismo converte gli eccitoni luminosi (che emettono luce) in eccitoni scuri (che non lo fanno). Quindi, anche se più eccitoni scuri fanno apparire il materiale scuro, sono ciò che consente al materiale di convertire la luce in elettricità con un'elevata efficienza.

"Nel passaggio successivo, abbiamo urgente bisogno di chiarire come avviene la separazione dell'eccitone in un elettrone e una lacuna con il loro trasporto agli elettrodi opposti per generare una forza elettromotrice, a condizione che la loro ricombinazione in un fotone sia soppressa nel presente meccanismo, " hanno detto gli autori. "Ciò richiede un processo di evoluzione temporale molto più lungo e complesso. Un'altra direzione della ricerca è ovviamente quella di progettare una cella solare con una migliore efficienza utilizzando i principi e le linee guida attuali. Questo può essere fatto per i nuovi candidati di materiali."

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