El equipo científico del DOE Science Center, con sede en Berkeley Lab, revela el misterio de un mecanismo multiplicador en un cristal orgánico.
En esta imagen, un estado de spin-Single (rojo) ópticamente excitado, que presenta pares electrón-Hole, se divide en un par de Estados del trío de Spin (azul). Los trillizos individuales tienen igual y opuesto centro-de-masa Momentum–se comportan como ondas moviéndose en direcciones opuestas a lo largo de un cristal. Las esferas gris y blanca representan átomos de carbono e hidrógeno, respectivamente.
Si bien hay un mercado creciente para las células solares orgánicas ¬ ¬-contienen materiales que son más baratos, más abundantes y más respetuosos con el medio ambiente que los utilizados en los paneles solares típicos-que también tienden a ser menos eficientes en la conversión de la luz solar a la electricidad que las células solares convencionales.
Ahora, los científicos que son miembros del centro de estudios computacionales de fenómenos de estado excitado en materiales energéticos (C2SEPEM) un nuevo centro de Ciencia relacionada con materiales de energía basado en el laboratorio nacional Lawrence Berkeley del Departamento de energía (laboratorio de Berkeley ), han resuelto un misterio que podría llevar a ganancias en la eficiencia.
Identificaron la fuente de un proceso ultrarápido y eficiente que genera varios portadores de carga eléctrica de una sola partícula de luz en cristales orgánicos que son parte integral de esta forma cada vez más popular de células solares.
Este proceso-llamado «fisión de la soltería» porque es similar a la división de núcleos atómicos en la fisión nuclear para crear dos átomos más ligeros de un más pesado-sostiene la promesa para aumentar dramáticamente la eficacia de células solares orgánicas rápidamente convirtiendo más de la energía de la luz del sol a las cargas eléctricas en vez de perderla al calor.
El equipo de investigación encontró un nuevo mecanismo explicando cómo esta reacción puede ocurrir en sólo decenas de femtosegundos (quadrillionths de un segundo), antes de que otros efectos competidores puedan robar su energía. Su estudio fue publicado el 29 de diciembre en la revista Physical Review Letters.
«en realidad, descubrimos un nuevo mecanismo que nos permite tratar de diseñar mejores materiales», dijo Steven G. Louie, Director de C2SEPEM, un centro apoyado por DOE que incluye investigadores del laboratorio de Berkeley; la Universidad de California, los Ángeles; la Universidad de Texas en Austin; y el Instituto de tecnología de Georgia.
Louie, co–líder del estudio, es también un científico de la Facultad en la división de Ciencias de materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley. C2SEPEM se centra en el desarrollo de teorías, métodos y software para ayudar a explicar los procesos complejos en materiales relacionados con la energía.
En el proceso de división, una partícula compuesta compuesta de un electrón, que tiene una carga negativa, y su agujero del socio-una posición vacante del electrón en la estructura atómica de un material que se comportan como una partícula en llevar una carga positiva-convierte rápidamente en dos pares electrón-agujero. Esto dobla el potencial carga-que lleva en el material mientras que evita la pérdida de energía como calor.
«hay mucho que todavía no entendemos acerca de la física fundamental de este proceso en materiales cristalinos que estamos esperando para arrojar más luz», dijo Jeffrey B. aseaon, director asociado de C2SEPEM, quien co-dirigió el estudio con Louie.
Aseaon es también el director de laboratorio asociado para Ciencias de la energía en Berkeley Lab, el director de la fundición molecular de Berkeley Lab y un profesor de física en UC Berkeley. «el método computacional que desarrollamos es muy predictivo, y lo usamos para entender la fisión de la soltería de una nueva manera que nos permita diseñar materiales aún más eficientes en la cosecha de luz, por ejemplo.»
Louie observó que muchos esfuerzos pasados se habían centrado en apenas algunas moléculas dentro del material-en este caso, la forma cristalizada de pentaceno, que se compone de hidrógeno y de carbón-para aprender sobre estos efectos exóticos. Sin embargo, estos enfoques pueden haber simplificado demasiado los efectos que conducen a la fisión individual.
«ha habido muchos esfuerzos teóricos para tratar de entender lo que está pasando», dijo.
En este último estudio, el equipo de investigación comenzó con una visión a gran escala de la estructura general de la pentaceno cristalizada, y particularmente de su simetría-los patrones de repetición en su marco atómico.
«es como tratar de explicar el océano, ya sea mirándolo molécula por molécula, o mirando una ola entera», dijo Felipe H. da jornada, un coautor del estudio con Sivan refaly-Abramson. Ambos son investigadores postdoctorales en Berkeley Lab y UC Berkeley y también están afiliados a C2SEPEM.
«nuestro enfoque captura directamente el cristal entero,» no importa el tamaño, señaló.
El equipo utilizó los cálculos realizados en parte en la fundición molecular de Berkeley Lab, y los recursos de supercomputación en el centro de cómputo científico nacional de investigación de energía del laboratorio para desarrollar, modelar y probar sus nuevas teorías sobre el proceso de fisión.
«Creemos que estas teorías también se pueden aplicar a materiales muy diferentes», dijo refaly-Abramson, «y en este sentido, la teoría es muy importante». Experimentos previos habían perdido algunas de las pistas importantes sobre el papel de la estructura cristalina en el mecanismo de la fisión del Singlet.
El estudio concluye que para duplicar eficientemente estos pares electrón-Hole, el material muestreado debe exhibir un tipo específico de simetría, o combinaciones repetidas de moléculas, dentro de su estructura cristalina-apenas como el piso de una sala puede exhibir una multitud de patrones simples y repetitivos usando los mismos azulejos.
La eficiencia del proceso de fisión individual parece depender en gran medida del número de moléculas envasadas dentro de cada patrón de repetición o «motivo» en el cristal, y sobre un tipo particular de simetría que en la que hay una rotación de 180 grados y el espejado de estos motivos. Esta relación entre la simetría y la eficiencia, los investigadores encontrados, les permite hacer predicciones poderosas sobre la eficiencia de la fisión en general.
Esas predicciones sólo pueden ser posibles, sin embargo, si los pares electrón-hueco en la muestra se comportan como objetos wavelike que se mueven a través de todo el cristal como ondas en un océano. Este enfoque también les dio una nueva visión sobre el proceso de división, y cómo los pares recién creados deben comportarse como ondas que se propagan en direcciones opuestas.
Hay todavía varios pasos que deben ser resueltos para hacer estos resultados más relevantes a las aplicaciones del mundo real, señalaron los investigadores. En las células solares, por ejemplo, los electrones deben ser liberados eficientemente de su apareamiento con los agujeros para cosechar su energía y para mejorar funcionamiento del panel solar.
Entender la duplicación de los portadores de carga en un material puede ayudar a los investigadores a explicar mejor y a los procesos de ingeniería inversa, como la tecnología utilizada en algunas pantallas de teléfonos móviles que reduce el número de portadores de carga (un proceso conocido como triplete fusión), dijo aseado.
Louie señaló que el equipo multidisciplinario que se reunió para el estudio, un aspecto clave del centro C2SEPEM, fue integral en la introducción de un nuevo pensamiento para abordar un problema de décadas de edad.
«este es uno de los primeros temas importantes que podríamos abordar, y ahora ha llegado a buen término», dijo.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por EurekAlert!.
