Para superar los desafíos energéticos globales y combatir la crisis ambiental que se avecina, investigadores de todo el mundo investigan nuevos materiales para convertir la luz solar en electricidad. Algunos de los candidatos más prometedores para aplicaciones de celdas solares de bajo costo y alta eficiencia se basan en semiconductores de perovskita de haluro de plomo (LHP). A pesar de los prototipos de células solares que batieron récords, el origen microscópico del rendimiento optoelectrónico sorprendentemente excelente de esta clase de material aún no se comprende por completo.
Ahora, un equipo internacional de físicos y químicos del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck, la École Polytechnique de París, la Universidad de Columbia en Nueva York y la Universidad Libre de Berlín demostraron el control por láser de los movimientos fundamentales de la red atómica LHP. Al aplicar un pico de campo eléctrico repentino más rápido que una trillonésima de segundo (picosegundo) en forma de un solo ciclo de luz de radiación de terahercios de infrarrojo lejano, los investigadores revelaron la respuesta de red ultrarrápida, que podría contribuir a un mecanismo de protección dinámico para electricidad cargos Este control preciso sobre los movimientos de torsión atómicos permitirá crear nuevas propiedades de materiales que no están en equilibrio, lo que podría proporcionar pistas para diseñar el material de las células solares del futuro.
Los materiales de las células solares híbridas LHP investigadas consisten en una red de cristal inorgánico, que actúa como jaulas periódicas para albergar moléculas orgánicas. La interacción de cargas electrónicas libres con esta red híbrida y sus impurezas determina cuánta electricidad se puede extraer de la energía de la luz solar. Comprender esta complicada interacción podría ser la clave para una comprensión microscópica del excelente rendimiento optoelectrónico de los LHP. Investigadores del Instituto Fritz Haber de Berlín y sus colegas internacionales ahora han podido aislar la respuesta de la red a un campo eléctrico en escalas de tiempo más rápidas que 100 femtosegundos, es decir, una décima de una billonésima de segundo. El campo eléctrico ha sido aplicado por un pulso láser intenso que contiene solo un ciclo de luz infrarroja lejana, llamada Terahertz (THz). « Este campo de THz es tan fuerte y tan rápido que puede imitar el campo eléctrico local de un portador de carga excitado inmediatamente después de la absorción de un cuanto de luz solar », explica Maximilian Frenzel, uno de los autores principales que realizan los experimentos.
Mediante este enfoque, los investigadores observan un movimiento concertado de la red cristalina, que consiste principalmente en la inclinación hacia adelante y hacia atrás de los bloques de construcción octaédricos de la jaula inorgánica. Estas vibraciones excitadas no linealmente pueden conducir a efectos de apantallamiento de orden superior, hasta ahora ignorados, lo que contribuye a un mecanismo de protección del portador de carga que se discute a menudo. « Además, el ángulo de inclinación relacionado juega un papel dominante en la determinación de las propiedades fundamentales del material, como la fase cristalográfica o la banda prohibida electrónica », aclara el Dr. Sebastian Maehrlein, líder del proyecto de investigación internacional. Por lo tanto, en lugar del ajuste químico estático de las propiedades del material, el diseño de materiales dinámicos ultrarrápidos está al alcance : « Como ahora podemos modular estos ángulos de torsión con un solo ciclo de luz de THz », resume el Dr. Maehrlein, « en el futuro podríamos ser capaces de controlar propiedades materiales bajo demanda o incluso descubrir nuevos estados exóticos de esta clase material emergente ». Al evaluar estos estados dinámicos de la materia, los investigadores esperan aportar algunas pistas para diseñar los materiales energéticos del futuro.