Científicos han descubierto que los electrones pueden ser impulsados a través de materiales solares a velocidades cercanas al límite que permite la naturaleza, un hallazgo que desafía las ideas establecidas sobre el funcionamiento de los sistemas de energía solar.
Este descubrimiento podría abrir nuevas vías para el diseño de tecnologías que capturen la luz solar de manera más eficiente y la conviertan en electricidad.
En experimentos de laboratorio que rastrearon eventos que duraron solo 18 femtosegundos –menos de 20 cuatrillones de segundo–, investigadores de la Universidad de Cambridge observaron la separación de carga eléctrica durante una única vibración molecular.
«Diseñamos deliberadamente un sistema que, según la teoría convencional, no debería haber transferido carga tan rápido», afirmó el Dr. Pratyush Ghosh, Investigador del St John’s College, Cambridge, y primer autor del estudio. «Según las reglas de diseño convencionales, este sistema debería haber sido lento, y eso es lo que hace que el resultado sea tan sorprendente.»
«En lugar de derivar aleatoriamente, el electrón se lanza en una sola ráfaga coherente. La vibración actúa como una catapulta molecular. Las vibraciones no solo acompañan el proceso, sino que lo impulsan activamente», añadió.
Observando el Movimiento de los Electrones a la Escala de Tiempo de los Átomos
Un femtosegundo es una cuatrillonésima parte de un segundo –un segundo contiene aproximadamente ocho veces más femtosegundos que todas las horas que han transcurrido desde el inicio del universo–. A esta escala de tiempo increíblemente pequeña, los átomos dentro de las moléculas están constantemente vibrando.
Los investigadores observaron que los electrones se mueven entre los materiales esencialmente al mismo ritmo que esos movimientos atómicos. Como explicó Ghosh, «estamos observando efectivamente cómo migran los electrones al mismo ritmo que los átomos mismos».
La investigación, publicada en Nature Communications el 5 de marzo de 2026, desafía las suposiciones de diseño de larga data en la ciencia de la energía solar. Hasta ahora, los científicos generalmente creían que la transferencia de carga ultrarrápida requería grandes diferencias de energía entre los materiales y un fuerte acoplamiento electrónico. Estas condiciones pueden reducir la eficiencia al limitar el voltaje y aumentar la pérdida de energía.
Cómo la Luz Crea Energía en los Materiales Solares
Cuando la luz incide sobre muchos materiales a base de carbono, crea un paquete de energía estrechamente ligado llamado excitón –un par de electrón y hueco–. Para que dispositivos como las células solares, los fotodetectores y los sistemas fotocatalíticos funcionen eficazmente, este par debe separarse rápidamente en cargas libres.
Cuanto más rápida sea la división, menos energía se desperdiciará. Esta separación ultrarrápida juega un papel fundamental en la determinación de la eficiencia con la que los paneles solares y otras tecnologías de captación de luz convierten la luz solar en energía utilizable.
Para investigar si esta compensación era inevitable, los investigadores de Cambridge crearon intencionalmente lo que esperaban que fuera un sistema de bajo rendimiento. Colocaron un donante de polímero junto a un aceptor no fullereno con casi ninguna diferencia de energía y solo una interacción débil, condiciones que deberían haber ralentizado significativamente la transferencia de carga.
En cambio, el electrón cruzó la interfaz en solo 18 femtosegundos. Esta velocidad es más rápida que muchos sistemas orgánicos estudiados previamente y coincide con el ritmo natural del movimiento atómico. «Ver que esto suceda en esta escala de tiempo dentro de una sola vibración molecular es extraordinario», dijo el Dr. Ghosh.
Las Vibraciones Moleculares Impulsan el Movimiento Ultrarrápido de los Electrones
Los experimentos con láseres ultrarrápidos ayudaron a revelar el mecanismo detrás de este resultado inesperado. Cuando el polímero absorbe luz, comienza a vibrar en patrones de alta frecuencia específicos.
Estas vibraciones mezclan los estados electrónicos y empujan eficazmente el electrón a través del límite, creando un movimiento balístico direccional en lugar de una difusión lenta y aleatoria.
Una vez que el electrón llega a la molécula aceptora, desencadena una nueva vibración coherente. Esta señal distintiva rara vez se observa en materiales orgánicos e indica la rapidez con la que se produce la transferencia. «Esa vibración coherente es una clara huella digital de la rapidez y la limpieza con la que se produce la transferencia.
«Nuestros resultados muestran que la velocidad final de la separación de carga no está determinada únicamente por la estructura electrónica estática», dijo el Dr. Ghosh. «Depende de cómo vibran las moléculas. Eso nos da un nuevo principio de diseño. En cierto modo, esto nos da un nuevo libro de reglas. En lugar de luchar contra las vibraciones moleculares, podemos aprender a usar las correctas».
Implicaciones para la Energía Solar y la Captación de Luz
El descubrimiento sugiere una nueva estrategia para diseñar tecnologías de captación de luz más eficientes. La separación de carga ultrarrápida es fundamental para sistemas como las células solares orgánicas, los fotodetectores y los dispositivos fotocatalíticos que pueden producir combustible de hidrógeno limpio. Procesos similares también ocurren naturalmente durante la fotosíntesis.
El profesor Akshay Rao, profesor de Física en el Cavendish Laboratory y ex Investigador Asociado del St John’s College, quien fue coautor del estudio, dijo: «En lugar de intentar suprimir el movimiento molecular, ahora podemos diseñar materiales que lo utilicen, transformando las vibraciones de una limitación en una herramienta».
El proyecto involucró a científicos del Cavendish Laboratory y el Yusuf Hamied Department of Chemistry de la Universidad de Cambridge, incluido el Dr. Rakesh Arul, Investigador del St John’s College. Colaboradores de Italia, Suecia, Estados Unidos, Polonia y Bélgica también contribuyeron a la investigación.
