Filmato il big bang della conversione da luce a elettricità

Ricercatori italiani hanno filmato i primissimi istanti della conversione della luce in energia elettrica, dimostrando per la prima volta che  i primissimi istanti della foto-conversione sono governati dalla natura quantistica di elettroni e nuclei, coinvolti in oscillazioni coerenti in tempi ultra-veloci.

Le celle solari organiche sono fra le forme di produzione di energia pulita in cui si ripongono più speranze. Ad oggi però non era stato ancora compreso come la luce in queste celle si trasformasse in elettricità.

Ciò che hanno fatto i ricercatori del CNR (‘Istituto nanoscienze del Cnr a Modena (Nano-Cnr) e dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie,Ifn-Cnr, a Milano) coordinati con colleghi tedeschi, francesi e spagnoli, è stato di filmare in tempo reale cosa accade nel big bang  della fotoconversione, cioè in un tempo di poche decine di femtosecondi, vale a dire milionesimi di miliardesimo di secondi.

Immagine: fotogrammi della simulazione quantistica della conversione luce-corrente in una cella fotovoltaica organica – composta da catene di polimero e molecole di fullerene. La ‘nuvola’ chiara illustra le oscillazioni di un elettrone dopo che la luce solare è assorbita al tempo zero. Il trasferimento di carica dal polimero al fullerene avviene tramite oscillazioni che danno avvio al processo fotovoltaico. La scala dei tempi è quella dei femto-secondi (0.000000000000001 secondi), le dimensioni sono di circa due nanometri (0.000000001 metri).

L’operazione è stata possibile grazie all’uso di esperimenti di spettroscopia laser ultraveloce insieme con una serie di simulazioni al calcolatore.

Elisa Molinari, fisica dell’Università di Modena e Reggio Emilia e direttrice del polo modenese di Nano-Cnr, ha spiegato:  “Abbiamo simulato la dinamica del trasferimento di elettroni tra polimero e fullerene tenendo conto della natura quantistica della materia. Il filmato che otteniamo è sorprendente. Calcoli ed esperimenti indicano che il big-bang dell’intero processo di fotoconversione avviene grazie all’oscillazione coordinata di elettroni e nuclei atomici, un comportamento che i fisici chiamano coerenza quantistica, senza il quale non si darebbe avvio al trasferimento di carica e non si otterrebbe nessuna corrente elettrica. Crediamo che questi risultati potranno guidare la costruzione di nuovi materiali artificiali capaci di convertire la luce solare in energia con la massima efficienza”.

All’interno delle celle solari organiche, spiega Carlo Andrea Rozzi di Nano-Cnr, “sono presenti dei polimeri che assorbono la luce mettendo in movimento elettroni e delle macro-molecole formate da 60 atomi di carbonio, note come Fullereni, che raccolgono carica elettrica. Ci siamo proposti di capire come si innesca tra le due molecole il trasferimento di elettroni che dà luogo alla corrente”.

“Un fenomeno che avviene a velocità talmente sbalorditive da renderlo fino ad ora sperimentalmente inaccessibile”, aggiunge Giulio Cerullo del Politecnico di Milano e di Ifn-Cnr. “Ora, finalmente, siamo in grado di osservarlo e catturarne i singoli fotogrammi grazie a flash di luce laser ultraveloci, una tecnologia sviluppata presso il Dipartimento di fisica del Politecnico”.