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A energia fotovoltaica, a conversão de luz em eletricidade, é uma tecnologia chave para a energia sustentável. Desde os dias de Max Planck e Albert Einstein, sabemos que tanto a luz quanto a eletricidade são quantizadas, o que significa que vêm em pequenos pacotes chamados fótons e elétrons. Em uma célula solar, a energia de um único fóton é transferida para um único elétron do material, mas não mais do que um. Apenas alguns materiais moleculares como o pentaceno são uma exceção, onde um fóton é convertido em dois elétrons.
“Quando o pentaceno é excitado pela luz, os elétrons do material reagem rapidamente”, explica o Prof. Ralph Ernstorfer, autor sênior do estudo. “Era uma questão aberta e muito disputada se um fóton excita dois elétrons diretamente ou inicialmente um elétron, que posteriormente compartilha sua energia com outro elétron.”
Para desvendar esse mistério, os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução de tempo e ângulo, uma técnica de ponta para observar a dinâmica dos elétrons na escala de tempo de femtossegundos, que é um bilionésimo de milionésimo de segundo. Esta câmera ultrarrápida de filme de elétrons permitiu que eles capturassem imagens dos elétrons excitados fugazes pela primeira vez.
“Ver esses elétrons foi crucial para decifrar o processo”, diz Alexander Neef, do Instituto Fritz Haber e primeiro autor do estudo. “Um elétron excitado não só tem uma energia específica, mas também se move em padrões distintos, chamados de orbitais. É muito mais fácil diferenciar o elétron se pudermos ver suas formas orbitais e como elas mudam com o tempo.”
Com as imagens do filme ultrarrápido de elétrons em mãos, os pesquisadores decompuseram a dinâmica dos elétrons excitados pela primeira vez com base em suas características orbitais. “Agora podemos dizer com certeza que apenas um elétron é excitado diretamente e identificou o mecanismo do processo de duplicação de excitação”, acrescenta Alexander Neef.
Conhecer o mecanismo de fissão do exciton é essencial para usá-lo em aplicações fotovoltaicas. Uma célula solar de silício aprimorada com um material de duplicação de excitação poderia aumentar a eficiência da energia solar em um terço. Tal avanço pode ter impactos enormes, já que a energia solar será a fonte de energia dominante no futuro. Já hoje grandes investimentos estão fluindo para a construção dessas células solares de terceira geração.
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