Acoplamento de excitons a polaritons para melhores células solares e LEDs de maior intensidade

Em células solares e diodos emissores de luz, manter a cinética do estado excitado das moléculas contra a aniquilação é uma corrida contra o tempo. Esses sistemas precisam atingir um equilíbrio cuidadoso entre diferentes processos que levam à perda de energia e aqueles que levam ao resultado desejado.

Um grande mecanismo de perda, especialmente nos sistemas de maior eficiência, é chamado de aniquilação exciton-exciton, levando à redução da eficiência solar e da saída de luz em LEDs. Controlar a quantidade de aniquilação exciton-exciton é, portanto, uma alavanca importante que afeta a eficiência.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), trabalhando com pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder, buscaram controlar a aniquilação de éxcitons/éxcitons acoplando éxcitons com polaritons de cavidade, que são basicamente fótons capturados entre dois espelhos, para combater a dissipação de energia e potencialmente aumentar a eficiência em dispositivos optoeletrônicos.

Conforme detalhado em um artigo no Revista de Letras de Química Físicaeles usaram espectroscopia de absorção transiente para demonstrar o controle do mecanismo de perda variando a separação entre os dois espelhos que formam a cavidade que envolve a camada de perovskita 2D (PEA)2PbI4 (PEPI). Este material de perovskita é um candidato para futuras aplicações de LED.

“Se pudermos obter controle sobre a aniquilação de éxcitons/éxcitons nos materiais ativos usados ​​em um LED ou uma célula solar, poderemos reduzir as perdas de energia e, portanto, aumentar sua eficiência em uma quantidade significativa”, disse Jao van de Lagemaat, do NREL, diretor do centro de química e nanociência que liderou o estudo.

À medida que a troca de energia entre os sistemas de luz e matéria excede suas taxas de decaimento, ocorre um forte acoplamento entre os estados fotônicos e eletrônicos (ou seja, éxcitons), formando polaritons, estados híbridos de luz e matéria.

Os pesquisadores do NREL demonstraram o acoplamento ultraforte da camada PEPI em uma microcavidade de Fabry-Pérot consistindo de dois espelhos parcialmente reflexivos. Uma camada PEPI que é mais fortemente acoplada à cavidade produziu uma vida útil mais longa do estado excitado e deu aos pesquisadores controle sobre a aniquilação de exciton-excitonan—reduzindo o processo de perda em uma ordem de magnitude.

Os pesquisadores do NREL explicaram sua observação pela natureza quântica dos estados híbridos recém-formados. Os polaritons mudam para frente e para trás extremamente rápido entre serem mais fotônicos e mais excitons por natureza. Como os fótons não se aniquilam quando se encontram, mas os excitons podem, essa ‘fase’ fantasmagórica entre os dois caracteres de partículas permite que os polaritons passem um pelo outro se eles forem mais fotônicos no momento preciso em que interagem.

Ajustar a força do acoplamento ajusta as quantidades relativas de tempo que os polaritons passam como fótons e, portanto, oferece controle sobre a perda de energia nesses sistemas.

“Foi impressionante como um experimento tão simples de colocar um material entre dois espelhos mudou completamente sua dinâmica”, disse Rao Fei, um estudante de pós-graduação da Universidade do Colorado em Boulder que fabricou as cavidades e realizou medições de espectroscopia ultrarrápidas.

“Mostramos que efeitos de acoplamento fortes podem ser usados ​​para controlar a dinâmica do estado excitado do sistema PEPI”, disse van de Lagemaat. “A simplicidade do sistema sugere que esse resultado deve se traduzir em outros materiais ativos em LEDs e células solares e poderia potencialmente ser projetado para essas aplicações usando métodos simples de fabricação.”