Al crear una nueva forma de interacción entre la luz y la materia, investigadores de la Universidad de California en Irvine han permitido la creación de células solares de silicio ultrafinas que podrían ayudar a difundir la tecnología de conversión de energía a una amplia gama de aplicaciones, incluida la ropa termoeléctrica. y barcos. Carga de coches y dispositivos.
Contenido de un artículo de investigación publicado recientemente como artículo de portada en una revista. ACS NanoLos investigadores de UC Irvine confían en convertir el silicio puro de un semiconductor de banda prohibida indirecto a uno directo en la forma en que interactúa con la luz.
El equipo de UC Irvine, en colaboración con científicos de la Universidad Federal de Kazán y la Universidad de Tel Aviv en Rusia, descubrió un método innovador que acondiciona la luz sin cambiar el material en sí. Confinan los fotones en asperezas de menos de 3 nanómetros cerca de semiconductores masivos, dando a la luz una nueva propiedad (impulso extendido) que abre nuevas formas de interacción entre la luz y la materia. Al “decorar” la superficie de silicio, dijeron los investigadores, lograron una mejora en la absorción de luz en órdenes de magnitud con un aumento significativo en el rendimiento del dispositivo.
“En los materiales semiconductores de banda prohibida directa, los electrones se transfieren de la banda de valencia a la banda de conducción. Este proceso sólo requiere un cambio de energía; es una transferencia eficiente”, señaló el autor principal Dimitri Fishman, profesor adjunto de química de UC Irvine. “En materiales de banda prohibida indirecta, como el silicio, se necesita un componente adicional, un fonón, para proporcionar a los electrones el impulso necesario para la transición. Debido a que es poco probable que un fotón, un fonón y un electrón interactúen en el mismo lugar y en el mismo momento , las propiedades ópticas del silicio son inherentemente débiles”.
Dijo que como semiconductor de banda prohibida indirecta, las pobres propiedades ópticas del silicio limitan el desarrollo de la conversión de energía solar y la optoelectrónica, un inconveniente teniendo en cuenta que el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre y en el que se basan las industrias informática y electrónica del mundo. .
“Los fotones transportan energía pero casi no tienen impulso, pero si cambiamos esta descripción como se explica en los libros de texto y de alguna manera aceleramos el fotón, podemos excitar el electrón sin necesidad de partículas adicionales”, dijo el coautor Eric Potma, profesor de UC Irvine. química. “Reduce directamente la interacción de dos partículas, un fotón y un electrón, al igual que los semiconductores de banda prohibida, y aumenta la absorción de luz en un factor de 10.000, transformando completamente la interacción luz-materia sin cambiar la química del material”.
El coautor Ara Apkarian, profesor distinguido de química de UC Irvine, dijo: “Este fenómeno cambia fundamentalmente la forma en que la luz interactúa con la materia. Tradicionalmente, los libros de texto nos enseñan sobre las llamadas transiciones ópticas verticales, donde un material absorbe luz y solo cambian los fotones”. Estado de energía del electrón. Sin embargo, los fotones con impulso mejorado pueden cambiar tanto el estado de energía como el de impulso del electrón. Metafóricamente hablando, estos fotones pueden afectar dramáticamente la capacidad de un material para absorber o emitir luz.
Según los investigadores, el desarrollo crea una oportunidad para explotar los avances recientes en las técnicas de fabricación de semiconductores en la escala inferior a 1,5 nanómetros, lo que tiene el potencial de impactar las tecnologías de fotodetección y conversión de energía lumínica.
“Con el creciente impacto del cambio climático, la transición de los combustibles fósiles a la energía renovable es más urgente que nunca. La energía solar es fundamental para esta transición, pero las células solares comerciales de las que dependemos se están quedando cortas”, afirmó Potma. “La escasa capacidad del silicio para absorber la luz significa que estas células necesitan una capa gruesa (aproximadamente 200 micrómetros de material cristalino puro) para capturar eficazmente la luz solar. Esto no sólo aumenta los costos de producción sino que también limita la eficiencia debido a la recombinación de los portadores de carga. -Nuestra investigación ha llevado a la realización de la realidad. Un paso más hacia las células solares de película se considera ampliamente como una solución a estos desafíos”.
Otros coautores del estudio incluyen a Giovanni Merham y Alexei Noskov de UC Irvine; Los investigadores de la Universidad Federal de Kazán, Elina Batalova y Sergey Kharintsev; y los investigadores de la Universidad de Tel Aviv Liat Catrivas y Alexander Kotlier. El proyecto recibió apoyo financiero de la Iniciativa Chan Zuckerberg.