I ricercatori del Fritz Haber Institute (FHI) di Berlino, dell'MPSD e della Julius-Maximilians-Universität Würzburg hanno fornito nuove importanti informazioni su un processo chiave per lo sviluppo di celle solari più efficienti e altre tecnologie basate sulla luce, chiamato fissione ad eccitone singlet.
La generazione di energia nelle tecnologie basate sulla luce si basa sulla capacità dei materiali di convertire la luce in energia elettrica e viceversa. Alcuni solidi molecolari organici hanno la peculiare capacità di aumentare significativamente l'efficienza di conversione da solare a energia elettrica, grazie a un processo chiamato fissione ad eccitone singlet (SEF). In questo processo due coppie di quasiparticelle chiamate eccitoni, sono generate dall'assorbimento di un quanto di luce (un fotone).
L'efficienza e la velocità del processo SEF sono dettate da dettagli sottili relativi al modo in cui le molecole si dispongono nel materiale. Nonostante centinaia di studi sull'argomento, tuttavia, non c'era stato modo di osservare in tempo reale come si muovono esattamente le molecole al fine di facilitare l'evento SEF. Comprendere questo pezzo del puzzle è essenziale per ottimizzare i materiali SEF e aumentarne ulteriormente l'efficienza.
In uno studio pubblicato di recente su Sciences Advances, i ricercatori del FHI, dell'MPSD e della Julius-Maximilians-Universität Würzburg sono riusciti a tracciare come le molecole in un materiale cristallino si costruiscono da molecole pentaceniche si muovono durante il processo SEF, utilizzando una tecnica sperimentale chiamata "diffrazione elettronica a femtosecondi". Tale tecnica può catturare istantanee della struttura atomica in tempo reale mentre il processo SEF si svolge. Per poter catturare queste istantanee in pentacene, un materiale che contiene solo atomi piccoli e leggeri, le misurazioni dovevano raggiungere una stabilità e una risoluzione eccezionali.
Grazie alla teoria all'avanguardia, il team è stato in grado di rivelare i moti molecolari coinvolti nell'evento di eccitazione iniziale e come questi movimenti innescano moti molecolari più complessi che coinvolgono molte molecole del cristallo. "La nostra analisi teorica potrebbe risolvere moti molecolari molto complessi. Potremmo identificarne uno dominante che coinvolge molecole che scivolano l'una rispetto all'altra, e che può essere innescato solo attraverso l'accoppiamento di eccitazioni elettroniche ad altri moti molecolari più localizzati, che poi, a loro volta, si accoppiano a questo movimento chiave osservato anche in esperimento", afferma Mariana Rossi di MPSD.
Questi moti atomici collettivi osservati dal team coinvolto nel progetto potrebbero essere la chiave per spiegare come i due eccitoni generati dal processo SEF possano separarsi, il che è un prerequisito per raccogliere le loro cariche in un dispositivo di energia solare. "In poche parole, la nostra ipotesi è che questi moti molecolari neutralizzano in modo efficiente le forze che tengono insieme i due eccitoni subito dopo che sono stati generati, fornendo una possibile spiegazione sull'origine delle scale temporali ultraveloci legate alla fissione, e quindi facilitano l'alta efficienza della conversione dell'energia solare in elettrica", ha affermato Hélène Seiler, borsista post-dottorato presso il FHI nel gruppo di Ralph Ernstorfer.