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  • Un nuevo enfoque puede ser clave para las células solares de puntos cuánticos con ganancias reales en eficiencia

    Puntos cuánticos de núcleo / capa de PbSe / CdSe (a) y una vía de multiplicación de portadores (CM) (b) en estas nanoestructuras. (a) Imagen de microscopía electrónica de transmisión de puntos cuánticos de capa gruesa de PbSe / CdSe desarrollada para este estudio. (b) Un agujero caliente generado en la capa a través de la absorción de un fotón choca con un electrón de banda de valencia localizado en el núcleo, promoviéndolo a través de la brecha energética, que genera un segundo par electrón-hueco. En los puntos cuánticos de capa gruesa de PbSe / CdSe, este proceso se mejora debido a la lenta relajación de los agujeros localizados en la capa en el núcleo.

    (Phys.org) —Los investigadores de Los Alamos han demostrado un aumento de casi cuatro veces el rendimiento de la multiplicación de portadores con puntos cuánticos creados por nanoingeniería. La multiplicación de portadores ocurre cuando un solo fotón puede excitar múltiples electrones. Los puntos cuánticos son nanoestructuras novedosas que pueden convertirse en la base de la próxima generación de células solares. capaz de extraer electricidad adicional de la energía extra de los fotones azules y ultravioleta.

    "Las células solares típicas absorben una gran parte del espectro solar, pero debido al rápido enfriamiento de los portadores de carga energéticos (o 'calientes'), la energía extra de los fotones solares azules y ultravioleta se desperdicia en la producción de calor, "dijo Victor Klimov, director del Centro de Fotofísica Solar Avanzada (CASP) del Laboratorio Nacional de Los Alamos.

    Conseguir dos por el precio de uno

    "En principio, esta energía perdida se puede recuperar convirtiéndola en fotocorriente adicional mediante la multiplicación de portadoras. En ese caso, la colisión de un portador caliente con un electrón de banda de valencia lo excita a través de la brecha de energía, ", Dijo Klimov." De esta manera, La absorción de un solo fotón del extremo de alta energía del espectro solar produce no solo uno, sino dos pares de agujeros de electrones. lo que en términos de producción de energía significa obtener dos por el precio de uno ".

    La multiplicación de portadores es ineficaz en los sólidos a granel utilizados en las células solares ordinarias, pero se mejora apreciablemente en las partículas semiconductoras ultrapequeñas, también llamadas puntos cuánticos, como lo demostraron por primera vez los investigadores de LANL en 2004 (Schaller &Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601, 2004). En puntos cuánticos convencionales, sin embargo, La multiplicación de portadoras no es lo suficientemente eficiente como para aumentar la potencia de salida de dispositivos prácticos.

    Un nuevo estudio realizado en el Centro de Fotofísica Solar Avanzada demuestra que las nanoestructuras de núcleo / capa diseñadas adecuadamente hechas de seleniuro de plomo y seleniuro de cadmio (PbSe y CdSe) pueden aumentar el rendimiento de multiplicación de portadores cuatro veces en comparación con los puntos cuánticos de PbSe simples.

    Klimov explicó, "Esta fuerte mejora se deriva principalmente de la relajación fonónica inusualmente lenta de los agujeros calientes que quedan atrapados en estados de alta energía dentro de la capa gruesa de CdSe. La larga vida útil de estos agujeros energéticos facilita un mecanismo de relajación alternativo a través de colisiones con la banda de valencia localizada en el núcleo. electrón que conduce a una multiplicación de portadores altamente eficiente ".

    Los tornillos y tuercas del enfriamiento lento

    Para darse cuenta del efecto del enfriamiento lento del portador, los investigadores de LANL han fabricado puntos cuánticos de PbSe con una capa de CdSe especialmente gruesa. Qianglu Lin, un estudiante de CASP que trabaja en la síntesis de estos materiales dijo:"Una característica sorprendente de los puntos cuánticos PbSe / CdSe de capa gruesa es la emisión visible bastante brillante, de la cáscara, observado simultáneamente con la emisión infrarroja del núcleo. Esto muestra que el enfriamiento intrabanda se ralentiza drásticamente, de modo que los agujeros residen en el caparazón el tiempo suficiente para producir emisiones ".

    "Esta relajación lenta, que subyace a la mejora observada de la multiplicación de portadoras, probablemente se relaciona con la interacción entre la localización del núcleo y la capa de los estados de la banda de valencia ", explicó Nikolay Makarov, un espectroscopista que trabaja en este proyecto. Istvan Robel, otro miembro de CASP agregó "Nuestro modelo indica que cuando el caparazón es lo suficientemente grueso, los estados de agujero de mayor energía se encuentran principalmente en el caparazón, mientras que los estados de menor energía aún permanecen confinados al núcleo. Esta separación conduce al desacoplamiento electrónico de los estados de agujeros de mayor y menor energía, que es responsable del enfriamiento lento observado ".

    ¿Qué podría significar esto en el futuro?

    Si bien el presente trabajo de CASP se basa en puntos cuánticos PbSe / CdSe, el concepto de "ingeniería de multiplicación de portadoras" mediante el control del enfriamiento intrabanda es general, y debe ser realizable con otras combinaciones de materiales y / o geometrías de nanoestructura.

    Jeff Pietryga, El químico principal de CASP dice:"Debería ser posible seguir mejorando la multiplicación de portadoras combinando este nuevo enfoque con otros medios demostrados para aumentar los rendimientos de múltiples portadoras, como mediante el uso de control de forma (como en nanobarras) y / o materiales en los que el enfriamiento ya es naturalmente más lento, como PbTe ". Aplicados juntos, estas estrategias podrían proporcionar una ruta práctica hacia nanoestructuras que exhiban un rendimiento de multiplicación de portadores que se acerque a los límites impuestos por la conservación de energía.


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