Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos, en colaboración con la Universidad de Colorado en Boulder (Estados Unidos), han encontrado la manera de controlar la aniquilación de excitones mediante el acoplamiento de excitones con polaritones de cavidad para combatir la disipación de energía y aumentar potencialmente la eficiencia en células solares.
En las células solares resulta una gran dificultad para los investigadores mantener la cinética del estado excitado de las moléculas para evitar su aniquilación. Estos sistemas deben lograr un equilibrio cuidadoso entre los diferentes procesos que conducen a la pérdida de energía y los que conducen al resultado deseado. Un mecanismo de pérdida importante, especialmente en los sistemas de mayor eficiencia, se denomina aniquilación excitón-excitón, lo que conduce a una reducción de la eficiencia en las células solares. Por lo tanto, controlar la cantidad de aniquilación excitón-excitón es un factor importante que afecta a la eficiencia.
En este trabajo, publicado en la revista científica Journal of Physical Chemistry Letters, los investigadores utilizaron espectroscopia de absorción transitoria para demostrar el control del mecanismo de pérdida al variar la separación entre los dos espejos que forman la cavidad que encierra la capa de perovskita 2D (PEA) 2 PbI 4 (PEPI). Los investigadores señalan que si es posible controlar la aniquilación de excitones en los materiales activos utilizados en una célula solar, podrían reducirse las pérdidas de energía y, por lo tanto, aumentar su eficiencia en una cantidad significativa.
Reducción de las pérdidas de energía
A medida que el intercambio de energía entre los sistemas de luz y materia excede sus tasas de desintegración, se produce un fuerte acoplamiento entre los excitones, lo que forma polaritones. Los investigadores del NREL demostraron un acoplamiento ultrafuerte de la capa PEPI en una microcavidad Fabry-Pérot que consta de dos espejos parcialmente reflectantes. Una capa PEPI que está más fuertemente acoplada a la cavidad produjo una vida útil más larga del estado excitado y dio a los investigadores control sobre la aniquilación excitón-excitón.
Los investigadores del NREL explicaron su observación por la naturaleza cuántica de los estados híbridos recién formados. Los polaritones cambian de forma extremadamente rápida entre su naturaleza más fotónica y más excitónica. Dado que los fotones no se aniquilan entre sí cuando se encuentran pero los excitones sí, este ‘desfase’ entre las dos características de las partículas permite que los polaritones pasen entre sí si resultan ser más fotónicos en el momento preciso en que interactúan.
El ajuste de la fuerza de acoplamiento ajusta las cantidades relativas de tiempo que los polaritones pasan como fotón y, por lo tanto, ofrece control sobre la pérdida de energía en estos sistemas.
La investigación demuestra que se pueden utilizar fuertes efectos de acoplamiento para controlar la dinámica del estado excitado del sistema PEPI. La simplicidad del sistema sugiere que este resultado debería traducirse en otros materiales activos en células solares y podría potencialmente implementarse en estas aplicaciones utilizando métodos de fabricación simples, según señalan los investigadores.