La fotovoltaica, es decir, la conversión de la luz en electricidad, es una tecnología esencial para la energía sostenible. Desde los días de Max Planck y Albert Einstein, sabemos que la luz y la electricidad están cuantificadas, lo que significa que vienen en pequeños paquetes llamados fotones y electrones. En una celda solar, la energía de un fotón se transfiere a un electrón de la sustancia, pero no a más de uno. Solo unos pocos materiales moleculares, como el pentaceno, son una excepción, en los que un fotón se convierte en dos electrones.
«Cuando la luz excita el pentaceno, los electrones del material reaccionan rápidamente», explica el profesor Ralf Ernstorfer, uno de los autores principales del estudio. «Ha sido una pregunta abierta y controvertida si un fotón excita dos electrones directamente o inicialmente un electrón, que luego comparte su energía con otro electrón».
Para desentrañar este misterio, los investigadores utilizaron la espectroscopia de fotoemisión angular en el tiempo, una técnica de vanguardia para observar la dinámica de los electrones en la escala de tiempo de femtosegundos, que es una billonésima de una millonésima de segundo. Una cámara de película de electrones ultrarrápida les permitió tomar fotografías de electrones excitados en tránsito por primera vez.
«Ver estos electrones fue fundamental para descifrar el proceso», dice Alexander Neff, del Instituto Fritz Haber y primer autor del estudio. «Un electrón excitado no solo tiene cierta energía, sino que también se mueve en diferentes patrones, llamados orbitales. Es mucho más fácil distinguir un electrón si podemos ver sus formas orbitales y cómo cambian con el tiempo».
Con las imágenes de la película de electrones ultrarrápidos en la mano, los investigadores analizaron la dinámica de los electrones excitados por primera vez en función de sus propiedades orbitales. «Ahora podemos decir con certeza que solo un electrón está directamente excitado y determinar el mecanismo del proceso de doble excitación», agrega Alexander Neff.
El conocimiento del mecanismo de fisión del excitón es fundamental para su uso en aplicaciones fotovoltaicas. La celda solar de silicio reforzada con material de doble excitación puede mejorar la eficiencia de convertir la energía solar en electricidad en un tercio. Tal progreso podría tener un gran impacto ya que la energía solar será la fuente de energía dominante en el futuro. Ya se están realizando importantes inversiones hoy para construir estas células solares de tercera generación.
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