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excitones de células solares

03.03.2008

Un estudiante de posgrado holandés ha logrado mejorar las propiedades de una celda solar polimérica.

Un tipo de celda solar polimérica es una capa de tinte que se deposita sobre una capa semiconductora. Por lo general, en su función es la base de la pintura blanca: el dióxido de titanio. Ambas sustancias son económicas y se cree que tales baterías pueden obtener energía solar del suelo. Y está marcando el tiempo, ya que la producción de baterías de silicio es muy costosa, y el silicio en sí, la materia prima para ellas, no abunda tanto.

Una batería de colorante y semiconductor funciona así. Un fotón de luz solar cae sobre la primera capa, se absorbe y excita el llamado excitón, una cuasipartícula, que es una excitación del sistema electrónico. Este excitón se desplaza hacia el interior del semiconductor y provoca la formación de cargas libres en él, es decir, forma una corriente eléctrica elemental. El problema es que el camino recorrido por un excitón es extremadamente corto y la mayoría de ellos se pierden antes de llegar al semiconductor.

"Logré elegir un colorante tal que la trayectoria del excitón aumentara veinte veces, hasta 20 nm. Aproximadamente la misma cantidad de tiempo que debe viajar un excitón en una hoja de planta antes de convertirse en energía química. En el caso de una batería solar, este camino debe incrementarse tres veces más, y entonces su efectividad ya no se medirá en porcentajes”, dice Annemarie Heiser, estudiante de doctorado en la Universidad Tecnológica de Delft.

Recordemos que ahora el coeficiente de conversión de luz en electricidad para baterías de polímero es del 4%, y el récord para el silicio es del 40%.

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¿Qué tan rápido se mueven los electrones entre los átomos dentro de la misma molécula? La mayoría de las veces, requieren solo unos pocos attosegundos (10^-18 segundos o una millonésima de una billonésima de segundo). Hacer un seguimiento de procesos tan rápidos es un desafío, y un equipo de científicos australianos desarrolló recientemente una nueva tecnología de interferencia capaz de medir los retrasos de tiempo con una resolución de zeptosegundos (10^-21 segundos, o una billonésima de una billonésima de segundo).

Como prueba, esta tecnología se utilizó para medir el retraso entre dos pulsos de luz emitidos por diferentes isótopos de hidrógeno, hidrógeno normal (H2) y deuterio (D2), que se expusieron simultáneamente a un solo pulso de luz láser. El retraso medido fue de menos de tres attosegundos, y su causa es la diferencia en la dinámica de movimiento de los núcleos más ligeros y más pesados de los átomos de isótopos de hidrógeno.

La luz fue emitida por átomos de hidrógeno a través de un proceso llamado generación de altos armónicos (HHG). Este proceso ocurre cuando un electrón es expulsado de un átomo por una poderosa corriente de luz, que también acelera el electrón a una mayor energía (velocidad). Cuando el electrón regresa al "seno" del átomo, se emite un cuanto de luz ultravioleta dura (ultravioleta extremo, XUV). La frecuencia, intensidad y fase de la radiación secundaria dependen en gran medida de los parámetros de las funciones de onda, por lo que todos los átomos y moléculas emiten ultravioleta fuerte con sus propios parámetros únicos.

Si la intensidad espectral de la radiación secundaria se mide de manera bastante simple, entonces la medición de su fase es un problema mucho más complejo, que está más allá del poder de los espectrómetros tradicionales.

Para resolver este problema, los científicos aprovecharon un fenómeno llamado fase de Gouy. La medida del desfase de Gouy de los cuantos de luz de hidrógeno y deuterio es equivalente en este caso a la medida del retardo de tiempo, y los experimentos realizados han demostrado que este valor es bastante estable y ligeramente inferior a 3 attosegundos. Un grupo de físicos teóricos de la Universidad de Shanghai probó la "pureza científica" del trabajo de los científicos australianos. Los científicos chinos modelaron todas las variantes posibles de generar radiación HHG a partir de dos isótopos de hidrógeno, teniendo en cuenta todas las combinaciones posibles del movimiento de núcleos y electrones.

Los resultados de simulación obtenidos coinciden muy bien con los datos experimentales, y esto sugiere que en el futuro esta tecnología se puede utilizar para estudiar y medir procesos ultrarrápidos en átomos y moléculas con una resolución de tiempo sin precedentes.

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