La recombinación de carga ocurre cuando los portadores de carga móviles presentes en el material que están expuestos a la luz se aniquilan entre sí y pueden obstaculizar la eficiencia energética del fotocatalizador. Crédito:Masashi Kato del Instituto de Tecnología de Nagoya
Durante muchos años, Los investigadores se han centrado en desarrollar tecnologías que puedan ayudarnos a luchar contra la inminente crisis del cambio climático. Tienen un objetivo en común:encontrar fuentes de energía sostenibles que puedan reemplazar los combustibles fósiles tóxicos para el medio ambiente. Los fotocatalizadores que impulsan un proceso artificial que replica la fotosíntesis (en el que la energía solar se convierte en materiales útiles) son prometedores a este respecto. dado que somos capaces de desarrollar la tecnología necesaria para ellos. Materiales cristalinos, como el titanato de estroncio (SrTiO 3 ), que pueden servir como fotocatalizadores en dispositivos solares, puede guiarnos en la dirección.
SrTiO 3 es atractivo debido a varias otras razones también, como sus aplicaciones potenciales en interruptores resistivos y componentes de pilas de combustible. La naturaleza versátil de SrTiO 3 ha motivado a los físicos a estudiar en detalle las propiedades de sus diversos materiales. Pero para profundizar en las propiedades de SrTiO 3 , necesitamos entender un poco más sobre ellos.
Materiales fotocatalíticos como SrTiO 3 suelen estar "dopados" con sustancias químicas como el niobio (Nb) que ayudan a mejorar sus propiedades eléctricas. Pero un proceso llamado recombinación de carga puede ocurrir en fotocatalizadores, que obstaculiza su eficacia. En este proceso, portadores de carga móviles presentes en el material, como electrones y huecos, cuando se expone a la luz, pueden aniquilarse unos a otros. Algunos estudios han demostrado que la recombinación de cargas se ve afectada por la presencia de defectos en los cristales. Entonces, ¿cómo afecta el dopaje con Nb a las propiedades del material de SrTiO? 3 ? Esto es exactamente lo que un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nagoya, Japón, dirigido por el Prof. Masashi Kato, quería averiguarlo.
En su estudio publicado en Journal of Physics D:Física aplicada , los investigadores observaron los efectos del dopaje de Nb de baja concentración, así como sin dopaje, en la recombinación de superficie en SrTiO 3 cristales. El profesor Kato explica:"Medir cuantitativamente los efectos de las superficies y las impurezas de niobio en SrTiO 3 sobre la recombinación de portadores puede ayudarnos a diseñar fotocatalizadores con una estructura óptima para la fotosíntesis artificial ".
La figura muestra las curvas de desintegración de μ-PCD para las muestras sin dopar excitadas por el láser de 266 o 355 nm. La línea de puntos es la curva de desintegración calculada con τB =90 ns y S =106 cm / s. Crédito:Masashi Kato del Instituto de Tecnología de Nagoya
Los científicos primero analizaron la recombinación de la superficie, o patrones de "descomposición" de SrTiO sin dopar 3 muestras, así como las dopadas con diferentes concentraciones de Nb, utilizando una técnica llamada decaimiento de la fotoconductividad por microondas. Para investigar más a fondo las propiedades de recombinación del granelero de las muestras dopadas y los diferentes niveles de energía introducidos por el dopaje con Nb, Se utilizó otra técnica llamada fotoluminiscencia de resolución temporal.
Los investigadores encontraron que la recombinación de portadores excitados no dependía de su concentración, lo que indica que se recombinaron a través de los procesos de superficie y de Shockley-Read-Hall (que son insensibles a la excitación de la concentración de portadores). Es más, la muestra dopada mostró curvas de descomposición más rápidas, lo que podría deberse a la introducción de un centro de recombinación mediante dopaje Nb. El dopaje del material con altas concentraciones de Nb mostró efectos negativos sobre el dopaje de portadores. Es más, el tamaño del fotocatalizador, y no su forma, influyó en la recombinación de la superficie y, en última instancia, en su eficiencia general.
El estudio concluyó que SrTiO moderadamente dopado con Nb 3 en realidad podría ser más beneficioso que el SrTiO puro 3 , especialmente cuando se opera a temperaturas de operación más altas. Estos hallazgos pueden ayudarnos a diseñar SrTiO 3 fotocatalizadores con menor recombinación de superficie y mayor conversión de energía, conduciendo al desarrollo de eficientes, fuentes de energía sostenibles.
El profesor Kato concluye con optimismo:"Estamos seguros de que nuestros hallazgos pueden acelerar el desarrollo de tecnologías de fotosíntesis artificial, contribuyendo en última instancia a un entorno más ecológico, sociedad más sostenible ".
