Mediante el uso de espectroscopia láser en un experimento de fotofísica, Los investigadores de la Universidad de Clemson han abierto nuevos caminos que podrían resultar en energía más rápida y barata para alimentar la electrónica.

Este enfoque novedoso, usando perovskita procesada en solución, está destinado a revolucionar una variedad de objetos cotidianos como las células solares, LEDs, fotodetectores para teléfonos inteligentes y chips de computadora. La perovskita procesada en solución son los materiales de próxima generación para paneles de células solares en tejados, Detectores de rayos X para diagnóstico médico, y LED para la iluminación de la vida diaria.

El equipo de investigación incluyó a un par de estudiantes de posgrado y un estudiante de pregrado que son asesorados por Jianbo Gao, Líder del grupo de Fotofísica Ultrarrápida de Dispositivos Cuánticos (UPQD) en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias.

La investigación colaborativa se publicó el 12 de marzo en la revista de alto impacto Comunicaciones de la naturaleza. El artículo se titula "Observación in situ de portadores atrapados en películas de perovskita de halogenuros metálicos orgánicos con resoluciones energéticas ultrarrápidas y temporales".

El investigador principal fue Gao, quien es profesor asistente de física de la materia condensada. Los coautores incluyeron a los estudiantes graduados Kanishka Kobbekaduwa (primer autor) y Pan Adhikari del grupo UPQD, así como el estudiante de pregrado Lawrence Coleman, un senior en el departamento de física.

Otros autores de Clemson fueron Apparao Rao, el R.A. Profesor Bowen de Física, y Exian Liu, un estudiante visitante de China que trabaja con Gao.

"Los materiales de perovskita están diseñados para aplicaciones ópticas como células solares y LED, "dijo Kobbekaduwa, estudiante de posgrado y primer autor del artículo de investigación. "Es importante porque es mucho más fácil de sintetizar en comparación con las células solares actuales basadas en silicio. Esto se puede hacer mediante el procesamiento de soluciones, mientras que en el silicio, tienes que tener diferentes métodos que sean más costosos y consuman más tiempo ".

El objetivo de la investigación es hacer materiales que sean más eficientes, más barato y más fácil de producir.

El método único utilizado por el equipo de Gao, que emplea espectroscopia de fotocorriente ultrarrápida, permitió una resolución de tiempo mucho mayor que la mayoría de los métodos. para definir la física de los portadores atrapados. Aquí, el esfuerzo se mide en picosegundos, que son una billonésima de segundo.

"Hacemos dispositivos usando este material (perovskita) y usamos un láser para iluminarlo y excitar los electrones dentro del material, "Dijo Kobbekaduwa." Y luego, usando un campo eléctrico externo, generamos una fotocorriente. Midiendo esa fotocorriente, de hecho, podemos decirle a la gente las características de este material. En nuestro caso, definimos los estados atrapados, que son defectos en el material que afectarán la corriente que recibamos ".

Una vez definida la física, los investigadores pueden identificar los defectos, que en última instancia crean ineficiencia en los materiales. Cuando los defectos se reducen o pasivan, esto puede resultar en una mayor eficiencia, que es fundamental para las células solares y otros dispositivos.

Dado que los materiales se crean a través de procesos de solución como el recubrimiento por rotación o la impresión por inyección de tinta, aumenta la probabilidad de introducir defectos. Estos procesos de baja temperatura son más baratos que los métodos de temperatura ultra alta que dan como resultado un material puro. Pero la compensación son más defectos en el material. Lograr un equilibrio entre las dos técnicas puede significar dispositivos de mayor calidad y más eficientes a menores costos.

Las muestras de sustrato se probaron disparando un láser al material para determinar cómo se propaga la señal a través de él. El uso de un láser para iluminar las muestras y recoger la corriente hizo posible el trabajo y lo diferencia de otros experimentos que no emplean el uso de un campo eléctrico.

"Al analizar esa corriente, podemos ver cómo se mueven los electrones y cómo salen de un defecto, ", dijo Adhikari del grupo UPQD." Es posible sólo porque nuestra técnica implica una escala de tiempo ultrarrápida y dispositivos in situ bajo un campo eléctrico. Una vez que el electrón cae en el defecto, aquellos que experimentan usando otras técnicas no pueden eliminar eso. Pero podemos sacarlo porque tenemos el campo eléctrico. Los electrones tienen carga bajo el campo eléctrico, y pueden moverse de un lugar a otro. Somos capaces de analizar su transporte de un punto a otro dentro del material ".

Ese transporte y el efecto de los defectos materiales sobre él pueden afectar el rendimiento de esos materiales y los dispositivos en los que se utilizan. Todo es parte de los importantes descubrimientos que están haciendo los estudiantes bajo la guía de su mentor, creando ondas que conducirán al próximo gran avance.

"Los estudiantes no solo están aprendiendo; en realidad están haciendo el trabajo, ", Dijo Gao." Tengo la suerte de tener estudiantes talentosos que, cuando se inspiran en desafíos e ideas, se convertirán en investigadores influyentes. Todo esto es parte de los importantes descubrimientos que están haciendo los estudiantes bajo la guía de sus mentores, creando ondas que conducirán al próximo gran avance. También estamos muy agradecidos por las sólidas colaboraciones con Shreetu Shrestha y Wanyi Nie, que son los mejores científicos de materiales del Laboratorio Nacional de Los Alamos ".