Las vibraciones moleculares pueden “catapultar” electrones a través de materiales solares en billonésimas de segundo —mucho más rápido de lo que se pensaba anteriormente—, según revela un nuevo estudio.
Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a encontrar formas más eficientes de convertir la energía solar en electricidad, de acuerdo con el estudio publicado el 5 de marzo en la revista Nature Communications.
“Estamos observando efectivamente cómo los electrones migran al mismo ritmo que los átomos mismos”, afirmó el coautor del estudio, Pratyush Ghosh, investigador especializado en espectroscopía ultrarrápida en la Universidad de Cambridge, en una declaración.
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Las moléculas orgánicas se vuelven solares
Las celdas solares orgánicas utilizan moléculas basadas en carbono, en lugar de silicio, para convertir la luz solar en electricidad. En teoría, las celdas solares orgánicas podrían proporcionar esa electricidad a un costo menor que las celdas solares convencionales, pero son mucho menos eficientes.
En una celda solar orgánica típica, un donante de electrones y un aceptor de electrones se intercalan entre dos electrodos conductores. Cuando la luz incide sobre la celda, genera un “excitón“, un par electrón-hueco. Los excitones se separan en la interfaz entre el donante y el aceptor, generando electricidad.
Verlo suceder en esta escala de tiempo dentro de una sola vibración molecular es extraordinario
Pratyush Ghosh, investigador de la Universidad de Cambridge
Para lograr una transferencia de carga rápida en la interfaz y limitar la pérdida de energía, las moléculas donantes y aceptoras suelen tener un fuerte acoplamiento electrónico, o superposición entre sus estados electrónicos, lo que permite que las cargas se muevan fácilmente entre las moléculas. También suelen tener una gran diferencia de energía entre ellas, pero eso limita el voltaje disponible del dispositivo.
En el nuevo estudio, los investigadores observaron una transferencia de carga ultrarrápida en una unión entre el donante de electrones y el aceptor de electrones en una celda solar orgánica, sin necesidad de cumplir con alguno de estos requisitos. El equipo utilizó un pulso láser corto para excitar el donante de electrones, un polímero llamado TS-P3, y luego utilizó un láser diferente para medir cómo cambiaba el sistema durante la transferencia de carga.
Esa transferencia de carga ocurrió en 18 femtosegundos —aproximadamente tan rápido como vibra una sola molécula. Algunos otros sistemas sin fuerzas impulsoras fuertes exhiben una transferencia de carga durante 100 a 200 femtosegundos, pero la mayoría tarda de diez a mil veces más.
“Verlo suceder en esta escala de tiempo dentro de una sola vibración molecular es extraordinario”, dijo Ghosh en la declaración.
Un ‘catapult molecular’
Esa escala de tiempo similar no fue una coincidencia. En un segundo conjunto de experimentos con láser, el equipo descubrió que las vibraciones en la molécula donante de polímero lanzaron un electrón a través de la unión a una molécula aceptora. Cuando el electrón llegó, desencadenó vibraciones superpuestas en la molécula aceptora. Esta superposición permitió que la transferencia de carga ocurriera mucho más rápido de lo esperado, y sin necesidad de un fuerte acoplamiento o una gran diferencia de energía.
“En lugar de desviarse aleatoriamente, el electrón se lanza en una ráfaga coherente”, dijo Ghosh en la declaración. “La vibración actúa como una catapulta molecular. Las vibraciones no solo acompañan el proceso, sino que lo impulsan activamente”.
Los hallazgos ayudan a explicar los procesos que controlan la velocidad de la transferencia de carga y establecen nuevas estrategias para diseñar celdas solares y materiales orgánicos más eficientes, escribieron los investigadores en el estudio.
“En lugar de tratar de suprimir el movimiento molecular, ahora podemos diseñar materiales que lo utilicen —transformando las vibraciones de una limitación en una herramienta”, dijo el coautor del estudio, Akshay Rao, físico de Cambridge, en la declaración.
Ghosh, P., Royakkers, J., Londi, G., Giannini, S., Arul, R., Gillett, A. J., Keene, S. T., Zelewski, S. J., Beljonne, D., Bronstein, H., & Rao, A. (2026). Vibronically assisted sub-cycle charge transfer at a non-fullerene acceptor heterojunction. Nature Communications, 17(1). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70292-8
