Los semiconductores convierten la energía de los fotones (luz) en una corriente de electrones. Sin embargo, algunos fotones transportan demasiada energía para que el material la absorba. Estos fotones producen "electrones calientes, "y el exceso de energía de estos electrones se convierte en calor. Los científicos de materiales han estado buscando formas de recolectar este exceso de energía. Científicos de la Universidad de Groningen y la Universidad Tecnológica de Nanyang (Singapur) han demostrado que esto puede ser más fácil de lo esperado por combinando una perovskita con un material aceptor de electrones calientes. Su prueba de principio fue publicada en Avances de la ciencia el 15 de noviembre.

En células fotovoltaicas, los semiconductores absorberán la energía de los fotones, pero solo de fotones que tienen la cantidad correcta de energía:muy poca, y los fotones atraviesan el material; demasiado, y el exceso de energía se pierde en forma de calor. La cantidad correcta está determinada por la banda prohibida:la diferencia en los niveles de energía entre el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO).

Nanopartículas

"El exceso de energía de los electrones calientes producidos por los fotones de alta energía es absorbido muy rápidamente por el material en forma de calor, "explica Maxim Pshenichnikov, profesor de espectroscopia ultrarrápida en la Universidad de Groningen. Para capturar completamente la energía de los electrones calientes, Se deben utilizar materiales con una banda prohibida más grande. Sin embargo, esto significa que los electrones calientes deben transportarse a este material antes de perder su energía. El enfoque general actual para recolectar estos electrones es ralentizar la pérdida de energía, por ejemplo, utilizando nanopartículas en lugar de material a granel. "En estas nanopartículas, hay menos opciones para que los electrones liberen el exceso de energía en forma de calor, "explica Pshenichnikov.

Junto con colegas de la Universidad Tecnológica de Nanyang, donde fue profesor invitado durante los últimos tres años, Pshenichnikov estudió un sistema en el que un semiconductor de perovskita híbrido orgánico-inorgánico se combinó con el compuesto orgánico batofenantrolina (bphen), un material con una banda prohibida grande. Los científicos utilizaron luz láser para excitar electrones en la perovskita y estudiaron el comportamiento de los electrones calientes que se generaron.

Barrera

"Usamos un método llamado sondeo de empuje de bomba para excitar electrones en dos pasos y estudiarlos en escalas de tiempo de femtosegundos, "explica Pshenichnikov. Esto permitió a los científicos producir electrones en las perovskitas con niveles de energía justo por encima de la banda prohibida de bphen, sin excitar electrones en el bphen. Por lo tanto, los electrones calientes de este material proceden de la perovskita.

Los resultados mostraron que los electrones calientes del semiconductor de perovskita eran absorbidos fácilmente por el bphen. "Esto sucedió sin la necesidad de ralentizar estos electrones, y además, en material a granel. Así que sin trucos los electrones calientes fueron recolectados ". Sin embargo, los científicos notaron que la energía requerida era ligeramente superior a la banda prohibida de bphen. "Esto fue inesperado. Aparentemente, se necesita algo de energía adicional para superar una barrera en la interfaz entre los dos materiales ".

Sin embargo, el estudio proporciona una prueba de principio para la recolección de electrones calientes en material semiconductor de perovskita a granel. Pshenichnikov dice:"Los experimentos se realizaron con una cantidad realista de energía, comparable a la luz visible. El próximo desafío es construir un dispositivo real utilizando esta combinación de materiales ".