Фотоволтаичните системи, или иначе казано преобразуването на светлина в електроенергия, е ключова технология за устойчиво енергийно развитие. Още от времето на Макс Планк и Алберт Айнщайн знаем, че светлината, както и електричеството, са квантувани, което означава, че са под формата на малки частици, наречени съответно фотони и електрони.
В слънчевата клетка енергията на един фотон се предава винаги и само на един електрон. Изключение правят само някои молекулярни частици, като например пентацена, при които един фотон се преобразува в два електрона.
"Когато пентаценът се възбужда под въздействието на светлина, електроните в частицата реагират бързо", обяснява проф. Ралф Ернсторфер, старши автор на изследването. "Дълго време витаеше спорният въпрос дали един фотон може да генерира два електрона, или първоначално се генерира само един електрон, който от своя страна отделя енергията си към друг електрон.".
За да разкрият тази мистерия, изследователите са използвали фотоемисионна спектроскопия с времева и ъглова резолюция, авангардна техника за наблюдение на динамиката на електроните във фемтосекундната времева скала, която е една милиардна от милионната от секундата. Тази ултрабърза електронна камера им позволява за първи път да заснемат изображения на електрони в краткотрайно възбудено състояние.
Според Александър Нийф от института Фриц Хабер и първи автор на изследването, проследяването на тези електронни е било от решаващо значение за разгадаването на процеса. По думите му един електрон във възбудено състояние не само има определена енергия, но също така се движи според различни модели, които се наричат орбитали. Много по-лесно е да се различат електроните, ако могат да се видят техните орбитални форми и как те се променят с времето.
Благодарение на изображенията от ултрабързата електронна камера изследователите разгледаха динамиката на електроните във възбудено състояние за първи път въз основа на техните орбитални характеристики. „Сега можем да кажем със сигурност, че един електрон генерира възбуда и идентифицирахме механизма на процеса на двойна възбудимост“, добавя Александър Нийф.
Познаването на механизма на екситонно делене е от съществено значение за използването му за фотоволтаични приложения. Силициевата слънчева клетка, подобрена с материал за двойна възбудимост, може да повиши ефективността на преобразуването на слънчевата енергия в електрическа с една трета. Подобен напредък може да има огромно въздействие, тъй като слънчевата енергия ще бъде доминиращият източник на енергия в бъдещето. Днес вече се вливат големи инвестиции в изграждането на тези слънчеви клетки от трето поколение.