Cuando una célula solar absorbe un fotón de luz, inicia una carrera electrónica contra el tiempo. Dos partículas, un electrón cargado negativamente y un "agujero" cargado positivamente, generan electricidad si se separan por completo.

Sin embargo, cuando estas partículas quedan atrapadas dentro de un material solar antes de que puedan separarse por completo, puede disminuir la capacidad del material para convertir la luz en electricidad.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han publicado un nuevo estudio que identifica el proceso por el cual los agujeros quedan atrapados en nanopartículas hechas de óxido de zinc. un material de potencial interés para aplicaciones solares porque absorbe la luz ultravioleta.

"Si está fabricando una celda solar, desea evitar atrapar agujeros; pero si estás haciendo un fotocatalizador, quieres atraparlos ". - El científico de rayos X Christopher Milne del Instituto Paul Scherrer de Suiza.

Usando rayos X producidos por Advanced Photon Source (APS) de Argonne, los investigadores pudieron ver el atrapamiento de agujeros en regiones específicas de la nanopartícula. Esto representa un avance notable, ya que los experimentos anteriores fueron capaces de detectar la migración y atrapamiento de electrones pero no huecos.

Según Stephen Southworth, un autor del estudio, algunos han considerado al óxido de zinc como una posible alternativa al dióxido de titanio, el material fotovoltaico más utilizado. Es necesario comprender el comportamiento del atrapamiento de agujeros para evaluar la viabilidad del material en aplicaciones de energía solar. él dijo.

Aunque el atrapamiento de agujeros perjudica el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos, puede mejorar la capacidad del óxido de zinc para actuar como fotocatalizador, ya que las cargas positivas almacenadas en las trampas dentro del material pueden actuar como participantes en reacciones químicas.

"Si está fabricando una celda solar, desea evitar atrapar agujeros; pero si estás haciendo un fotocatalizador, quieres atraparlos, "dijo el líder del proyecto Christopher Milne, científico de rayos X en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. "A pesar de todo, comprender cómo quedan atrapados estos átomos, y durante cuánto tiempo, es de vital importancia para fabricar materiales funcionales que conviertan la luz en energía utilizable ".

Los investigadores determinaron que los agujeros quedaron atrapados en "vacantes de oxígeno", lugares dentro de la red cristalina donde falta un átomo de oxígeno. Óxido de zinc, Milne dijo, tiene una estructura cristalina que le permite tener muchas de estas vacantes. La captura ocurre porque las vacantes tienen un nivel de energía más bajo que el entorno circundante, creando una grieta enérgica para pasar agujeros.

Para hacer sus medidas, los investigadores combinaron dos técnicas de rayos X diferentes:espectroscopia de absorción de rayos X y espectroscopia de emisión de rayos X resonantes. "La combinación de estas técnicas es únicamente posible con la configuración que tenemos en APS, dándonos una vista que nos muestra tanto la geometría atómica como la estructura electrónica del material, "dijo el físico de rayos X de Argonne Gilles Doumy, un autor del estudio, que utilizó la línea de luz 7ID-D en el APS.

"APS fue uno de los únicos lugares del mundo en el que pudimos haber realizado este experimento. Fue una colaboración muy fructífera, ", dijo Milne. El APS es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Los investigadores indicaron que los estudios futuros del sistema podrían beneficiarse de tener la capacidad de tomar instantáneas extremadamente rápidas del comportamiento de captura. Tal experimento podría llevarse a cabo en instalaciones de láser de electrones libres de rayos X como la fuente de luz coherente Linac de SLAC, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Esencialmente, queremos ver el mismo proceso pero tenemos la capacidad de tomar imágenes mil veces más rápido, "dijo Southworth.

"La funcionalidad del material siempre dependerá de cómo el comportamiento en los momentos iniciales del proceso influye en el comportamiento en momentos posteriores y más prolongados, "añadió Doumy." Necesitamos ambas imágenes para una comprensión completa ".

Un artículo basado en la investigación, "Revelando el atrapamiento de agujeros en nanopartículas de óxido de zinc mediante espectroscopía de rayos X de resolución temporal, "apareció en la edición en línea del 2 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza .