Los físicos observan por primera vez el paso de cuasipartículas «Polaron»

Polarones Fenómenos importantes a nanoescala: formación transitoria entre electrones y átomos (conocida como Cuasipartículas) Solo existen para fracciones de una billonésima de segundo.

Estas formaciones tienen propiedades únicas que pueden ayudarnos a comprender algunos de los comportamientos misteriosos de las sustancias que se forman dentro de ellas, y los científicos las acaban de notar por primera vez.

Los polarones se midieron en el material híbrido de plomo-perovskita, un material de célula solar de próxima generación que promete aumentar las tasas de conversión más allá de los paneles de silicio que se utilizan principalmente en la actualidad. Los científicos esperan que las observaciones de Polaron sirvan para decirnos exactamente cómo las perovskitas convierten la luz solar en electricidad tan bien.

Para encontrar los polarones, los científicos enfocaron la luz en monocristales de plomo híbrido de perovskita y observaron un láser de rayos X gigante sin un electrón llamado Fuente de luz coherente Linac (LCLS) – Capaz de obtener imágenes de materiales en las escalas más pequeñas en los tiempos más cortos, hasta una billonésima de segundo (o Picosegundos).

(Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Arriba: una ilustración de polarones en híbrido de plomo perovskita.

«Cuando colocas una carga en una sustancia golpeándola con luz, como ocurre en una célula solar, los electrones se liberan y esos electrones libres comienzan a moverse alrededor de la sustancia». El físico Burak Guzleturk dice Del Laboratorio Nacional Argonne, operado por el Departamento de Energía de EE. UU.

«Pronto quedó rodeado y envuelto por una especie de burbuja de distorsión local, el polarón, que viaja con él. Algunas personas han argumentado que esta burbuja protege a los electrones de los defectos de dispersión en el material y ayuda a explicar por qué viaja de manera eficiente a la conexión de la célula solar para fluir como electricidad».

Aunque la perovskita es prometedora como material para paneles solares, no está del todo claro por qué: tienen muchas desventajas que deberían limitar la medida en que la corriente fluye a través de ellos, y se sabe que son frágiles e inestables. Los polarones pueden ofrecer algunas respuestas.

Estos electrodos son esencialmente deformaciones de recorrido corto de la estructura de la red atómica del material, y se ha demostrado que se mueven alrededor de 10 capas de átomos hacia afuera. La distorsión aumentó el espaciado de los átomos circundantes en aproximadamente 50 veces, a 5 partes por mil millonésima parte de un metro, en decenas de picosegundos.

Las deformaciones o burbujas microscópicas eran más grandes de lo que esperaban los científicos, y se les permitió moverse a través de la estructura reticular atómica suave y flexible de la perovskita híbrida. La sustancia se comporta de alguna manera como un sólido y un líquido al mismo tiempo.

«Estos materiales han conquistado el campo de la investigación de la energía solar debido a su alta eficiencia y bajo costo, pero la gente todavía está discutiendo sobre por qué funcionan», agregó. Dice el científico de materiales Aaron Lindenberg De la Universidad de Stanford.

«La idea de que los polarones pueden estar involucrados ha existido durante varios años, pero nuestros experimentos son los primeros en observar directamente la formación de estas anomalías locales, incluido su tamaño, forma y cómo se desarrollan».

Si bien las perovskitas ya se utilizan en la producción de energía solar, a menudo con silicio, no está exenta de desafíos: aunque hemos visto ganancias de eficiencia significativas de estos materiales, se presume que es capaz de más.

A medida que pasan los años, los científicos continúan superando los obstáculos que mantenían la eficiencia de los paneles solares por debajo de lo que debería ser, y a medida que dependemos cada vez más de las granjas solares, las mejoras de incluso unos pocos puntos porcentuales pueden marcar una gran diferencia.

Sin embargo, los investigadores que descubrieron Polaron tienen cuidado de enfatizar que aún no han respondido todas las preguntas sobre estas cuasi-partículas, y hay mucho que aprender sobre su efecto sobre las perovskitas y otros materiales.

«Si bien este experimento muestra lo más directamente posible que estas cosas existen, no muestra cómo contribuyen a la eficiencia de la célula solar», agregó. Lindenberg dice. «Aún queda mucho trabajo por hacer para comprender cómo estos procesos afectan las propiedades de estos materiales».

La investigación ha sido publicada en Materiales de la naturaleza.