La energía fotovoltaica, la conversión de la luz en electricidad, es una tecnología clave para la energía sostenible. Desde los días de Max Planck y Albert Einstein, sabemos que tanto la luz como la electricidad están cuantificadas, lo que significa que vienen en pequeños paquetes llamados fotones y electrones. En una celda solar, la energía de un solo fotón se transfiere a un solo electrón del material, pero no más de uno. Solo unos pocos materiales moleculares como el pentaceno son una excepción, donde un fotón se convierte en dos electrones.
«Cuando la luz excita el pentaceno, los electrones del material reaccionan rápidamente», explica el profesor Ralph Ernstorfer, autor principal del estudio. «Era una pregunta abierta y muy discutida 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 espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo, una técnica de vanguardia para observar la dinámica de los electrones en la escala de tiempo de femtosegundos, que es una mil millonésima de millonésima de segundo. Esta cámara de película de electrones ultrarrápida les permitió capturar imágenes de los fugaces electrones excitados por primera vez.
«Ver estos electrones fue crucial para descifrar el proceso», dice Alexander Neef, del Instituto Fritz Haber y primer autor del estudio. «Un electrón excitado no solo tiene una energía específica, sino que también se mueve en patrones distintos, que se denominan orbitales. Es mucho más fácil distinguir el electrón si podemos ver sus formas orbitales y cómo cambian con el tiempo».
Con las imágenes de la película de electrones ultrarrápidos a mano, los investigadores descompusieron la dinámica de los electrones excitados por primera vez en función de sus características orbitales. «Ahora podemos decir con certeza que solo un electrón se excita directamente e identificó el mecanismo del proceso de duplicación de la excitación», agrega Alexander Neef.
Conocer el mecanismo de fisión de excitones es esencial para usarlo en aplicaciones fotovoltaicas. Una celda solar de silicio mejorada con un material de duplicación de excitación podría aumentar la eficiencia de conversión de energía solar en electricidad en un tercio. Tal avance podría tener enormes impactos ya que la energía solar será la fuente de energía dominante en el futuro. Ya hoy en día se están realizando grandes inversiones en la construcción de estas células solares de tercera generación.