Fotovoltaïsche cellen zetten zonlicht direct om in elektriciteit en zijn daarom de belangrijkste technologische apparaten om een ​​van de uitdagingen aan te gaan waarmee de mensheid in deze eeuw wordt geconfronteerd:een duurzame en schone productie van hernieuwbare energie. Organische zonnecellen, het gebruik van polymere materialen om zonlicht op te vangen, bijzonder gunstige eigenschappen hebben. Ze zijn goedkoop, lichtgewicht en flexibel, en hun kleur kan worden aangepast door de materiaalsamenstelling te variëren. Dergelijke zonnecellen bestaan ​​typisch uit nanogestructureerde mengsels van geconjugeerde polymeren (lange ketens van koolstofatomen), fungeren als lichtabsorbeerders, en fullerenen (koolstofvoetballen op nanoschaal), fungeren als elektronenacceptoren. De primaire en meest elementaire stap in het licht-naar-stroom conversieproces, de door licht geïnduceerde overdracht van een elektron van het polymeer naar het fullereen, gebeurt met zo'n duizelingwekkende snelheid dat het voorheen moeilijk was om het direct te volgen.

Nutsvoorzieningen, een team van Duitse en Italiaanse onderzoekers uit Oldenburg, Modena en Milano rapporteerden de eerste real-time films van het licht-naar-stroom conversieproces in een organische zonnecel. In een rapport gepubliceerd in het nummer van 30 mei van Wetenschap tijdschrift, laten de onderzoekers zien dat de kwantummechanische, golfachtige aard van elektronen en hun koppeling aan de kernen is van fundamenteel belang voor de ladingsoverdracht in een organisch fotovoltaïsch apparaat.

"Onze eerste resultaten waren eigenlijk heel verrassend", zegt Christoph Lienau, een natuurkundeprofessor van de Universiteit van Oldenburg die het onderzoeksteam leidde. "Toen we extreem korte, femtoseconde lichtpulsen om de polymeerlaag in een organische cel te verlichten, we ontdekten dat de lichtpulsen oscillerende, vibratiebeweging van de polymeermoleculen. Onverwacht, echter, we zagen dat ook de fullereenmoleculen allemaal synchroon begonnen te trillen. We konden dit niet begrijpen zonder aan te nemen dat de elektronische golfpakketten die door de lichtpulsen worden opgewekt, coherent heen en weer zouden oscilleren tussen het polymeer en het fullereen." Alle collega's met wie de wetenschappers deze eerste resultaten bespraken, verkregen door promovenda Sarah Falke uit Oldenburg in nauwe samenwerking met het team van Giulio Cerullo van Politecnico di Milano, toonaangevende experts in ultrasnelle spectroscopie, waren sceptisch. "In dergelijke biologische melanges, de grensvlakmorfologie tussen polymeer en fullereen is zeer complex en de twee delen zijn niet covalent gebonden", zegt Lienau, "Daarom zou je niet verwachten dat vibronische coherentie zelfs bij kamertemperatuur aanhoudt. Daarom vroegen we Elisa Molinari en Carlo A. Rozzi, van het Istituto Nanoscienze van CNR en de Universiteit van Modena en Reggio Emilia, om hulp." Een reeks geavanceerde simulaties van kwantumdynamica, uitgevoerd door Rozzi en collega's, leverde indrukwekkende films op van de evolutie van de elektronische wolk en van de atoomkernen in dit systeem, die verantwoordelijk zijn voor de oscillaties die in experimenten worden gevonden. "Onze berekeningen geven aan", zegt Molinari, "dat de koppeling tussen elektronen en kernen van cruciaal belang is voor de efficiëntie van de ladingsoverdracht. Het afstemmen van deze koppeling door de morfologie en samenstelling van het apparaat te variëren, kan daarom belangrijk zijn voor het optimaliseren van de efficiëntie van het apparaat".

Leiden de nieuwe resultaten direct tot betere zonnecellen? "Dergelijke ultrasnelle spectroscopische studies, en in het bijzonder hun vergelijking met geavanceerde theoretische modellering, bieden indrukwekkend en direct inzicht in de fundamentele fenomenen die het organische fotovoltaïsche proces initiëren. Ze blijken erg te lijken op de strategieën die de natuur heeft ontwikkeld bij fotosynthese.", zegt Lienau. "Recente studies geven aan dat kwantumcoherentie in dat geval blijkbaar een belangrijke rol speelt. Ons nieuwe resultaat levert bewijs voor soortgelijke fenomenen in functionele kunstmatige fotovoltaïsche apparaten:een conceptuele vooruitgang die zou kunnen worden gebruikt om het ontwerp van toekomstige systemen voor het oogsten van kunstlicht in een proberen om de nog ongeëvenaarde efficiëntie van natuurlijke te evenaren."