Los semiconductores se utilizan para innumerables dispositivos optoelectrónicos. Sin embargo, a medida que los dispositivos se vuelven cada vez más pequeños y más exigentes, se necesitan nuevos materiales para garantizar que los dispositivos funcionen con mayor eficiencia. Ahora, Los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi han sido pioneros en una nueva clase de materiales semiconductores que podrían mejorar la funcionalidad de los dispositivos optoelectrónicos y los paneles solares, quizás incluso utilizando cien veces menos material que el silicio de uso común.
Investigadores de USC Viterbi, dirigido por Jayakanth Ravichandran, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencias de los Materiales de la Familia Mork e incluyendo a Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthew Yeung, Kevin Ye, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, Profesor asistente de ingeniería eléctrica Rehan Kapadia, y David J. Singh, profesor de física de la Universidad de Missouri, han desarrollado una nueva clase de materiales que son superiores en rendimiento y tienen una toxicidad reducida. Su proceso, documentado en "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, "se publica en Materiales avanzados .
Ravichandran, el liderazgo en esta investigación, es un científico de materiales, que siempre ha estado interesado en comprender el flujo de electrones y el calor a través de los materiales, así como la forma en que los electrones interactúan dentro de los materiales. Este profundo conocimiento de cómo la composición del material afecta el movimiento de los electrones fue fundamental para la innovación más reciente de Ravichandran y sus colegas.
Las computadoras y la electrónica han mejorado, pero según Jayakanth Ravichandran, el investigador principal de este estudio, "el rendimiento del dispositivo más básico, los transistores, no está mejorando". Hay una meseta en términos de rendimiento, como lo señala lo que se considera el "fin de la ley de Moore". Similar a la electrónica, Hay mucho interés en desarrollar semiconductores de alto rendimiento para optoelectrónica. El equipo colaborativo de científicos de materiales e ingenieros eléctricos quería desarrollar nuevos materiales que pudieran mostrar las propiedades ópticas y eléctricas ideales para una variedad de aplicaciones, como pantallas, detectores y emisores de luz, así como células solares.
Los investigadores desarrollaron una clase de semiconductores llamados "calcogenuros de perovskita de metales de transición". En la actualidad, los semiconductores más útiles no contienen suficientes portadores para un volumen dado de material (una propiedad que se conoce como "densidad de estados") pero transportan electrones rápidamente y, por lo tanto, se sabe que tienen una alta movilidad. El verdadero desafío para los científicos ha sido aumentar esta densidad de estados en los materiales, manteniendo una alta movilidad. Se prevé que el material propuesto posea estas propiedades conflictivas.
Como primer paso para mostrar sus posibles aplicaciones, los investigadores estudiaron su capacidad para absorber y emitir luz. "Hay un dicho, "dice Ravichandran sobre el diálogo entre aquellos en los campos de la óptica y la fotónica, "que un LED muy bueno es también una célula solar muy buena". Dado que los materiales que Ravichandran y sus colegas desarrollaron absorben y emiten luz de manera efectiva, Las células solares son una posible aplicación.
Las células solares absorben la luz y la convierten en electricidad. Sin embargo, los paneles solares están hechos de silicio, que proviene de la arena a través de un proceso de extracción de gran consumo energético. Si las células solares pudieran estar hechas de un nuevo, material semiconductor alternativo como el creado por los investigadores de la USC Viterbi, un material que podría contener más electrones para un volumen dado (y reducir el grosor de los paneles), Las células solares podrían ser más eficientes, quizás utilizando cien veces menos material para generar la misma cantidad de energía. Este nuevo material, si se aplica en la industria de la energía solar, podría hacer que la energía solar sea menos costosa.
Si bien es un largo camino para llevar una clase de materiales de este tipo al mercado, el siguiente paso es recrear este material en una forma de película ultrafina para hacer células solares y probar su rendimiento. "La contribución clave de este trabajo, "dice Ravichandran, "es nuestro nuevo método de síntesis, que es una mejora drástica de estudios anteriores. También, nuestra demostración de una amplia capacidad de sintonización en las propiedades ópticas (especialmente la banda prohibida) es prometedora para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos con propiedades ópticas sintonizables ".
