Científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, University College de Londres, y Florida International University han determinado cómo un material de óxido en particular, óxido de lantano y cromo (LCO), interactúa con la luz visible y ultravioleta.
La absorción de luz por ciertos tipos de materiales da como resultado la conversión de energía luminosa en energía eléctrica, un proceso de gran importancia en la tecnología energética. El sol es abundante en luz visible que se ve verde a la vista, y poder convertir la luz solar en electricidad conduce a una fuente de energía limpia que no deja huella de carbono. Estas fuentes de energía son esenciales para una seguridad, seguro, y un futuro energético respetuoso con el medio ambiente, algo que debería ser de interés para todos los estadounidenses.
Solo ciertos tipos de materiales pueden absorber la luz y convertir la luz en electricidad. Estos materiales se denominan semiconductores. "Semi" es un prefijo latino que significa "mitad". Entonces, un semiconductor se puede considerar como un medio o parcial conductor de electricidad, en relación con los metales, que son excelentes conductores de electricidad. La razón por la que un semiconductor es solo un conductor parcial de electricidad es porque sus bandas de energía, u orbitales, donde residen los electrones, se dividen en dos tipos. Uno se llama banda de valencia (VB). Los electrones en el VB no son móviles y, por lo tanto, no puede conducir electricidad. La otra se llama banda de conducción (CB), y los electrones en el CB son móviles. En semiconductores, la concentración de electrones en el CB es baja en comparación con la de los metales, resultando en conducción parcial. El VB y CB están separados por una cantidad fija de energía, llamado la banda prohibida. Si un semiconductor se irradia con luz cuya energía es mayor que la banda prohibida, los electrones pueden absorber la luz y ser elevados desde el VB al CB, resultando en conductividad eléctrica inducida por la luz. Encontrar formas de modificar las propiedades de los semiconductores para que absorban la luz en rangos de energía particulares es muy importante en la energía fotovoltaica, la ciencia de la conversión de energía de luz a electricidad.
Los materiales que son de interés actual en la energía fotovoltaica a menudo incluyen átomos que son tóxicos o raros. Estos incluyen galio, arsénico, cadmio y telurio. Es más, las superficies de estos materiales fotovoltaicos reaccionan con el oxígeno de la atmósfera y forman óxidos, que cambia sus propiedades de manera que las hacen menos útiles para las tecnologías fotovoltaicas. Una clase ideal de materiales para futuras aplicaciones fotovoltaicas son los óxidos metálicos, óxidos metálicos específicamente complejos. Estos materiales se pueden fabricar a partir de abundantes, átomos baratos, y son estables en el aire porque ya son óxidos. Sin embargo, las propiedades ópticas de la mayoría de los óxidos complejos son en sí mismas bastante complejas, y muy poco entendido. Obtener una comprensión detallada de uno de esos óxidos, LCO, es el foco de este estudio.
El enfoque del equipo fue producir LCO ultrapuro depositando haces separados de lantano, cromo, y átomos de oxígeno sobre un sustrato sólido, utilizando un proceso llamado epitaxia de haz molecular. Luego iluminaron la película de LCO y variaron la energía de la luz, que abarca las porciones visible y ultravioleta cercana del espectro electromagnético. Determinaron las energías a las que el LCO absorbía la luz. El espectro de absorción de luz es bastante complejo, y no es posible comprender el origen de los diferentes picos de absorción sin la ayuda de cálculos teóricos. Para tal fin, el equipo llevó a cabo un conjunto detallado de cálculos teóricos en los que simularon el proceso de absorción de luz en LCO para diferentes energías lumínicas. Hacerlo les permitió determinar en detalle qué partes del CB y VB en LCO estaban involucradas en eventos de absorción específicos. Lo que aprendieron fue bastante sorprendente. Investigaciones experimentales anteriores llevaron a la conclusión de que el inicio de la conductividad eléctrica se produce para una energía luminosa de ~ 3,3 electronvoltios. La investigación experimental y teórica combinada del equipo mostró que el inicio de la conductividad eléctrica en realidad ocurre para una energía de luz mucho más alta, ~ 4,8 electronvoltios. Las características de absorción a energías más bajas (como 3,3 electronvoltios) se deben en realidad a excitaciones localizadas que no provocan que la electricidad se conduzca a través del LCO. y fueron malinterpretados en estudios anteriores.
Esta investigación es parte de un estudio más amplio destinado a cambiar la banda prohibida de LCO a valores más bajos, donde el sol es más abundante en luz solar. La estrategia del equipo es reemplazar algunos de los átomos de lantano en el LCO con átomos de estroncio. En el límite del 100% de sustitución de lantano por estroncio, obtenemos óxido de estroncio y cromo, que es un metal. Los resultados preliminares indican que a medida que aumenta el porcentaje de lantano reemplazado por estroncio, de hecho, la banda prohibida disminuye en el rango deseado. Este resultado, si se encuentra que es reproducible, significa que el óxido de estroncio lantano cromo es un candidato atractivo para un semiconductor de óxido de banda prohibida sintonizable que sería útil para energía fotovoltaica, o tecnología de "captación de luz".
