Solceller omvandlar direkt solljus till elektricitet och är därför viktiga tekniska anordningar för att möta en av de utmaningar som mänskligheten måste möta under detta århundrade:en hållbar och ren produktion av förnybar energi. Organiska solceller, använda polymera material för att fånga solsken, har särskilt gynnsamma egenskaper. De är billiga, lätt och flexibel, och deras färg kan anpassas genom att variera materialsammansättningen. Sådana solceller består vanligtvis av nanostrukturerade blandningar av konjugerade polymerer (långa kedjor av kolatomer), fungerar som ljusabsorbenter, och fullerener (kolfotbollar i nanoskala), fungerar som elektronacceptorer. Det primära och mest elementära steget i ljus-till-strömkonverteringsprocessen, den ljusinducerade överföringen av en elektron från polymeren till fulleren, sker med en så svindlande hastighet att det tidigare visat sig svårt att följa den direkt.

Nu, ett team av tyska och italienska forskare från Oldenburg, Modena och Milano rapporterade om de första realtidsfilmerna om ljus-till-strömkonverteringsprocessen i en organisk solcell. I en rapport publicerad i numret 30 maj av Vetenskap tidskrift, forskarna visar att den kvantmekaniska, vågliknande natur hos elektroner och deras koppling till kärnorna är av grundläggande betydelse för laddningsöverföringen i en organisk solcellsanordning.

"Våra första resultat var faktiskt mycket överraskande", säger Christoph Lienau, en fysikprofessor från universitetet i Oldenburg som ledde forskargruppen. "När vi använde extremt kort, femtosekundsljus pulserar för att belysa polymerskiktet i en organisk cell, vi fann att ljuspulserna inducerade oscillerande, vibrationsrörelse hos polymermolekylerna. Oväntat, dock, vi såg att även fullerenmolekylerna började vibrera synkront. Vi kunde inte förstå detta utan att anta att de elektroniska vågpaketen som exciterades av ljuspulserna konsekvent skulle svänga fram och tillbaka mellan polymeren och fullerenen." Alla kollegor som forskarna diskuterade dessa första resultat med, erhållen av doktoranden Sarah Falke från Oldenburg i nära samarbete med teamet av Giulio Cerullo från Politecnico di Milano, ledande experter inom ultrasnabb spektroskopi, var skeptiska. "I sådana ekologiska blandningar, gränssnittsmorfologin mellan polymer och fulleren är mycket komplex och de två delarna är inte kovalent bundna", säger Lienau, "Därför kan man inte förvänta sig att vibronisk koherens kvarstår även vid rumstemperatur. Vi frågade därför Elisa Molinari och Carlo A. Rozzi, av Istituto Nanoscienze från CNR och University of Modena och Reggio Emilia, för hjälp." En serie sofistikerade kvantdynamiksimuleringar, framförd av Rozzi och kollegor, tillhandahållit imponerande filmer om utvecklingen av det elektroniska molnet och av atomkärnorna i detta system, som är ansvariga för svängningarna i experiment. "Våra beräkningar visar", säger Molinari, "att kopplingen mellan elektroner och kärnor är av avgörande betydelse för laddningsöverföringseffektiviteten. Att anpassa denna koppling genom att variera enhetens morfologi och sammansättning kan därför vara viktigt för att optimera enhetens effektivitet".

Kommer de nya resultaten omedelbart att leda till bättre solceller? "Sådana ultrasnabba spektroskopiska studier, och i synnerhet deras jämförelse med avancerad teoretisk modellering, ge imponerande och mest direkt inblick i de grundläggande fenomen som initierar den organiska fotovoltaiska processen. De visar sig vara mycket lika de strategier som naturen utvecklat för fotosyntes.", säger Lienau. "Närare studier tyder på att kvantkoherens uppenbarligen spelar en viktig roll i det fallet. Vårt nya resultat ger bevis för liknande fenomen i funktionella artificiella solceller:ett konceptuellt framsteg som skulle kunna användas för att vägleda utformningen av framtida artificiellt ljusskördande system i en försök att matcha den ännu oöverträffade effektiviteten hos naturliga."