09.07.2021 - Julius-Maximilians-Universität Würzburg

El equipo rastrea los movimientos moleculares en tiempo real

Nuevos e importantes conocimientos sobre un proceso clave para el desarrollo de células solares más eficientes

La eficiencia de las células solares puede aumentar considerablemente con un determinado efecto físico. Un equipo de investigadores ha observado por primera vez con detalle cómo influyen los movimientos moleculares en este efecto.

Investigadores del Instituto Fritz Haber (FHI) de Berlín, el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo y la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg han aportado nuevos e importantes conocimientos sobre un proceso clave para el desarrollo de células solares más eficientes y otras tecnologías basadas en la luz, denominado fisión de excitones singulares. Han conseguido rastrear cómo se mueven en tiempo real las moléculas de un material prometedor, los cristales individuales compuestos por moléculas de pentaceno, mientras se produce la fisión de los excitones singlete, demostrando que un movimiento colectivo de las moléculas puede ser el origen de las rápidas escalas de tiempo relacionadas con este proceso.

Los detalles sutiles dictan la eficiencia

La generación de energía en las tecnologías basadas en la luz depende de la capacidad de los materiales para convertir la luz en energía eléctrica y viceversa. Ciertos sólidos moleculares orgánicos tienen la peculiar capacidad de aumentar significativamente la eficiencia de conversión de energía solar en eléctrica, gracias a un proceso llamado fisión de excitones singulares (SEF). En este proceso se generan dos pares de huecos de electrones, llamados excitones, por la absorción de un cuanto de luz (un fotón). Debido a las pronunciadas implicaciones tecnológicas, no es de extrañar que se hayan dedicado enormes esfuerzos de investigación para entender cómo funciona realmente la SEF.

La eficacia y la velocidad del proceso SEF están relacionadas con la forma en que las moléculas se disponen en el material. Sin embargo, a pesar de los cientos de estudios sobre el tema, no ha habido forma de observar en tiempo real cómo se mueven exactamente las moléculas para facilitar el evento SEF. Comprender esta parte del rompecabezas es esencial para optimizar los materiales SEF y aumentar su eficacia.

Instantáneas de la estructura atómica

En un estudio publicado hoy en Sciences Advances , los investigadores del FHI, el MPSD y la cátedra de Física Experimental VI de la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg han logrado seguir el movimiento de las moléculas de un material cristalino construido a partir de moléculas de pentaceno durante el proceso de SEF, utilizando una técnica experimental denominada "difracción de electrones de femtosegundos". Esta técnica puede capturar instantáneas de la estructura atómica en tiempo real mientras se desarrolla el proceso de SEF. Para poder captar estas instantáneas en el pentaceno, un material que sólo contiene átomos pequeños y ligeros, las mediciones tuvieron que alcanzar una estabilidad y resolución excepcionales.

"Hemos llevado este tipo de experimentos a un punto en el que se pueden tratar estos materiales, lo cual es muy emocionante para la química, la biología y la ciencia de los materiales. Estas mediciones han revelado que los movimientos moleculares verdaderamente colectivos acompañan al proceso SEF en el pentaceno. En concreto, se ha identificado una oscilación ultrarrápida deslocalizada de las moléculas de pentaceno, que facilita la transferencia eficiente de energía y carga a través de grandes distancias", afirma Heinrich Schwoerer, del MPSD.

Moléculas que se deslizan entre sí

Gracias a la teoría más avanzada, el equipo pudo revelar los movimientos moleculares que intervienen en el evento de excitación inicial y cómo estos movimientos desencadenan movimientos moleculares más complejos que implican a muchas moléculas del cristal. "Nuestro análisis teórico pudo resolver movimientos moleculares muy complejos. Pudimos identificar uno dominante que implica el deslizamiento de las moléculas entre sí, y que sólo puede desencadenarse a través del acoplamiento de las excitaciones electrónicas a otros movimientos moleculares más localizados, que luego, a su vez, se acoplan a este movimiento clave también observado en el experimento", dice Mariana Rossi, del MPSD.

Estos movimientos atómicos colectivos observados por el equipo que participa en el proyecto podrían ser la clave para explicar cómo los dos excitones generados a partir del proceso SEF pueden separarse, lo cual es un requisito previo para cosechar sus cargas en un dispositivo de energía solar. "En pocas palabras, nuestra imagen es que estos movimientos moleculares neutralizan eficazmente las fuerzas que mantienen unidos a los dos excitones justo después de que se hayan generado, proporcionando una posible explicación sobre el origen de las escalas de tiempo ultrarrápidas relacionadas con la fisión, y facilitando así la alta eficiencia de la conversión de energía solar en eléctrica", dice Hélène Seiler, becaria postdoctoral en el FHI en el grupo de Ralph Ernstorfer.

"Además de proporcionar importantes conocimientos sobre el proceso de SEF, este trabajo demuestra que es posible revelar el movimiento atómico en materiales orgánicos funcionales más complejos, que son delicados y están compuestos por átomos ligeros", afirma Sebastian Hammer, de la Universidad de Würzburg.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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