Los científicos de NIM de LMU Munich han encontrado un nuevo efecto con respecto a la excitación óptica de los portadores de carga en un semiconductor solar. Podría facilitar la utilización de luz infrarroja, que normalmente se pierde en los dispositivos solares.

Los semiconductores son hoy en día los materiales más destacados para convertir la luz solar en energía eléctrica utilizable. La Agencia Internacional de Energía (AIE) informó que el año pasado se instalaron medio millón de paneles solares todos los días en todo el mundo. Sin embargo, Las células solares basadas en semiconductores todavía adolecen de eficiencias de conversión de energía relativamente bajas. La razón de esto radica principalmente en el hecho de que los semiconductores convierten de manera eficiente la luz de una porción bastante pequeña del espectro solar en energía eléctrica. La posición espectral de esta ventana de luz que se puede convertir de manera eficiente está fuertemente relacionada con una propiedad del semiconductor involucrado (es decir, su banda prohibida). Esto significa que, si el semiconductor está diseñado para absorber luz amarilla, luz de longitud de onda más larga (como luz roja e infrarroja), atravesará el material sin producir corrientes. Adicionalmente, luz de longitud de onda más corta (verde, luz azul y ultravioleta), que es más enérgico que la luz amarilla, perderá su cantidad adicional de energía en calor. Por lo tanto, la obtención de mayores eficiencias de conversión de energía a partir de semiconductores sigue siendo un gran desafío.

Nanocristales de perovskita para conversión de energía

Para estudiar estas limitaciones, Aurora Manzi, un doctorado estudiante de la Cátedra de Fotónica dirigida por el Prof. Jochen Feldmann, ha medido la densidad del portador de carga creada por la absorción de múltiples fotones en nanocristales de perovskita, un material novedoso y prometedor para aplicaciones fotovoltaicas.

"La absorción de fotones múltiples de luz de longitud de onda larga con una energía inferior a la ventana de absorción del semiconductor suele ser muy ineficaz". destaca Manzi, primer autor de la publicación en Comunicaciones de la naturaleza y estudiante del programa de posgrado de NIM. "Por lo tanto, me sorprendió totalmente observar que para longitudes de onda de excitación específicas, la eficiencia de este proceso aumenta drásticamente. ¡Al principio esto no tenía ningún sentido para nosotros!"

"Armónicos" de luz y excitón en resonancia

Después de intensas discusiones, el equipo de científicos de LMU se dio cuenta de que estas resonancias ocurren cuando los múltiplos de dos frecuencias fundamentales distintas se vuelven iguales, a saber, la de la frecuencia de la oscilación de la luz primaria y la de la frecuencia de la banda prohibida o, más precisamente, del excitón en la banda prohibida.

Se podría hacer una analogía con los fenómenos de resonancia o armónicos en acústica, de uso común en instrumentos musicales. Cuando la luz roja intensa incide en los nanocristales de perovskita nanoestructurados, tiene lugar un proceso similar a la generación de armónicos en una cuerda de guitarra. La longitud de onda de la luz fundamental genera armónicos ópticos de orden superior, que son armónicos cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la oscilación de la luz primaria. Cuando tal "sobretono ligero" se vuelve resonante con un sobretono de la banda prohibida excitónica, el intercambio de energía se mejora, lo que conduce a una mayor generación de portadores de carga o, más precisamente, de múltiples excitones en la banda prohibida.

Punto de partida para futuras investigaciones

"Las resonancias observadas son análogas a los fenómenos físicos que tienen lugar en dos cuerdas diferentes de una guitarra", continúa Manzi. "Si asociamos la primera cadena a la excitación de la luz y la segunda a la banda prohibida excitónica del semiconductor, sabemos por la acústica que entrarán en resonancia si un cierto armónico de la primera cuerda coincide con otro armónico de la segunda cuerda ".

"La observación de este nuevo fenómeno de resonancia para las excitaciones ópticas en semiconductores excitónicos podría allanar el camino para que las células solares conviertan de manera más eficiente la luz de longitud de onda larga en energía eléctrica utilizable", añade el profesor Feldmann, el líder del equipo de investigación. "Este es un hallazgo nuevo y emocionante con un posible impacto para los dispositivos solares futuros. Junto con nuestros colegas de la red de investigación" Solar Technologies Go Hybrid "(SolTech), ahora intentaremos desarrollar aplicaciones innovadoras jugando con tales matices ".