Nanosystems Initiative Munich NIM, científicos de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich han encontrado un nuevo efecto con respecto a la excitación óptica de los portadores de carga en un semiconductor solar. Podría facilitar la utilización de la luz infrarroja, que normalmente se pierdeen dispositivos solares.
Los semiconductores son hoy en día los materiales más destacados para convertir la luz solar en energía eléctrica utilizable. La Agencia Internacional de Energía AIE informó que el año pasado se instalaron medio millón de paneles solares en todo el mundo el año pasado. Sin embargo, las células solares basadas en semiconductores todavíasufren de eficiencias de conversión de energía relativamente bajas. La razón de esto radica principalmente en el hecho de que los semiconductores convierten eficientemente la luz de una porción bastante pequeña del espectro solar en energía eléctrica. La posición espectral de esta ventana de luz que se puede convertir eficientementefuertemente relacionado con una propiedad del semiconductor involucrado es decir, su banda prohibida. Esto significa que, si el semiconductor está diseñado para absorber luz amarilla, la luz de longitud de onda más larga como la luz roja e infrarroja pasará a través delmaterial sin producir corrientes. Además, la luz de longitud de onda más corta luz verde, azul y UV, que es más enérgica que la luz amarilla, perderá sucantidad adicional de energía en calor.Obtener mayores eficiencias de conversión de energía de los semiconductores sigue siendo un gran desafío.
nanocristales de perovskita para la conversión de energía
Para estudiar estas limitaciones, Aurora Manzi, estudiante de doctorado de la Cátedra de Fotónica dirigida por el profesor Jochen Feldmann, ha medido la densidad de portadores de carga creada por la absorción de múltiples fotones en nanocristales de perovskita, un material novedoso y prometedor para aplicaciones fotovoltaicas.
"La absorción de fotones múltiples de luz de longitud de onda larga con una energía inferior a la ventana de absorción de semiconductores suele ser muy ineficiente", destaca Manzi, primer autor de la publicación en Comunicaciones de la naturaleza y un estudiante del programa de posgrado NIM. "Por lo tanto, me sorprendió totalmente observar que para longitudes de onda de excitación específicas la eficiencia de este proceso se mejora drásticamente. ¡Al principio esto no tenía ningún sentido para nosotros!"
Luz y excitón "sobretonos" en resonancia
Después de intensas discusiones, el equipo de científicos de LMU se dio cuenta de que estas resonancias ocurren cuando los múltiplos de dos frecuencias fundamentales distintas se vuelven iguales, a saber, la frecuencia de la oscilación de la luz primaria y la frecuencia de la brecha de banda o, más precisamente, deexciton en la banda prohibida.
Se podría establecer una analogía con los fenómenos de resonancia o de sobretono en acústica, comúnmente utilizados en instrumentos de música. Cuando la luz roja intensa incide en nanocristales de nanovskita nanoestructurados, tiene lugar un proceso similar a la generación de armónicos en una cuerda de guitarra. Lo fundamentalla longitud de onda de la luz genera armónicos ópticos de orden superior, que son armónicos cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la oscilación de la luz primaria. Cuando tal "armónico ligero" resuena con un armónico de la brecha de banda excitónica, el intercambio de energía aumenta y conduce a un aumentogeneración de portadores de carga o, más precisamente, de excitones múltiples en el intervalo de banda.
Punto de partida para futuras investigaciones
"Las resonancias observadas son análogas a los fenómenos físicos que tienen lugar en dos cuerdas diferentes de una guitarra", continúa Manzi. "Si asociamos la primera cuerda a la excitación de la luz y la segunda cuerda al hueco de banda excitónico del semiconductor,sepa por acústica que entrarán en resonancia si un cierto armónico de la primera cuerda coincidirá con otro armónico de la segunda cuerda ".
"La observación de este nuevo fenómeno de resonancia para excitaciones ópticas en semiconductores excitónicos podría allanar el camino para que las células solares conviertan de manera más eficiente la luz de onda larga en energía eléctrica utilizable", agrega el profesor Feldmann, el líder del equipo de investigación ".Este es un nuevo hallazgo emocionante con un posible impacto para futuros dispositivos solares. Junto con nuestros colegas de la Red de Investigación "Solar Technologies Go Hybrid" SolTech, ahora intentaremos desarrollar aplicaciones innovadoras jugando con tales armónicos ".
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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