Uno de los principales obstáculos para el diseño y desarrollo de nuevos Es posible que se hayan eliminado células solares más eficientes. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han desarrollado el primer ab initio método, es decir, un modelo teórico libre de parámetros ajustables o empíricos, para caracterizar las propiedades de los "portadores calientes" en semiconductores. Los portadores calientes son portadores de carga eléctrica (electrones y huecos) con una energía significativamente mayor que los portadores de carga en equilibrio térmico.

"La termalización del portador caliente es una fuente importante de pérdida de eficiencia en las células solares, pero debido a la escala de tiempo de sub-picosegundos y la compleja física involucrada, La caracterización de portadores calientes ha sido durante mucho tiempo un desafío incluso para los materiales más simples, "dice Steven Louie, un físico teórico y científico principal de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales (MSD) de Berkeley Lab. "Nuestro trabajo es el primero ab initio cálculo de las cantidades clave de interés para los transportistas en caliente - vida útil, que nos dice cuánto tardan los portadores calientes en perder energía, y el camino libre medio, que nos dice qué tan lejos pueden viajar los transportistas calientes antes de perder su energía ".

Todos los métodos teóricos anteriores para calcular estos valores requerían parámetros empíricos extraídos del transporte o mediciones ópticas de muestras de alta calidad. un requisito que entre los materiales semiconductores notables solo se ha logrado para el silicio y el arseniuro de galio. los ab initio método desarrollado por Louie y Jeff Neaton, Director de la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de nanociencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) alojada en Berkeley Lab, trabajando con Marco Bernardi, Derek Vigil-Fowler y Johannes Lischner, no requiere parámetros experimentales distintos de la estructura del material.

"Esto significa que podemos estudiar portadores calientes en una variedad de superficies, nanoestructuras, y materiales, como cristales inorgánicos y orgánicos, sin depender de experimentos existentes, ", dice Neaton." Incluso podemos estudiar materiales que aún no se han sintetizado. Dado que podemos acceder a estructuras ideales y sin defectos con nuestros métodos, podemos predecir vidas intrínsecas y caminos libres medios que son difíciles de extraer de experimentos debido a la presencia de impurezas y defectos en muestras reales. También podemos utilizar nuestro modelo para evaluar directamente la influencia de defectos e impurezas ".

Neaton, como Louie, es un científico senior de la facultad de MSD en la Universidad de California (UC) Berkeley. Neaton también tiene una cita con el Instituto Kavli de Nanociencias Energéticas. Son los autores correspondientes de un artículo en Cartas de revisión física describiendo este trabajo titulado " Ab Initio Estudio de portadores calientes en el primer picosegundo después de la absorción de la luz solar en silicio ". Bernardi es el autor principal del artículo, y Vigil-Fowler, el coautor principal.

Las células solares de unión única basadas en silicio cristalino se están acercando rápidamente al límite teórico de su eficiencia. que es aproximadamente el 30 por ciento. Esto significa que si una célula solar basada en silicio acumula 1, 000 Watts por metro cuadrado de energía, la mayor cantidad de electricidad que puede generar es de 300 vatios por metro cuadrado. Los portadores calientes son cruciales para mejorar la eficiencia de las células solares, dado que su termalización da como resultado la pérdida de hasta un tercio de la energía solar absorbida en el silicio, y valores similares en otros semiconductores. Sin embargo, Las propiedades de los portadores calientes en materiales complejos para aplicaciones fotovoltaicas y otras aplicaciones optoelectrónicas modernas aún no se conocen bien.

"Nuestro estudio tenía como objetivo proporcionar datos útiles para la dinámica de portadores calientes en silicio con aplicación en células solares, "dice Bernardi." En este estudio proporcionamos cálculos a partir de los primeros principios que describen los dos mecanismos de pérdida clave, inducida por electrones y fonones, respectivamente, con precisión de vanguardia y dentro de los marcos de las teorías de perturbación funcional de densidad y de muchos cuerpos ".

Cuando el equipo de investigación aplicó su método para estudiar el tiempo de relajación y el camino libre medio de los portadores calientes en el silicio, encontraron que la termalización bajo iluminación solar se completa en 350 femtosegundos, y está dominado por la emisión de fonones de los portadores calientes, un proceso que se vuelve progresivamente más lento a medida que los portadores calientes pierden energía y se relajan hacia los bordes de la banda. Este resultado de modelado estuvo en excelente acuerdo con los resultados de los experimentos de bomba-sonda. Si bien el modelo solo se probó en silicio en este estudio, los investigadores confían en que tendrá el mismo éxito que otros materiales.

"Creemos que nuestro enfoque es muy valioso para los grupos experimentales que estudian los portadores calientes en el contexto de las células solares y otras tecnologías de energía renovable, ya que se puede utilizar para calcular la vida útil y la trayectoria libre media de los portadores calientes con energías específicas". Momentos y direcciones cristalográficas con una resolución sin precedentes, ", Dice Bernardi." A medida que ampliamos nuestro estudio de portadores calientes a una gama de materiales cristalinos y nanoestructuras, creemos que nuestros datos proporcionarán información microscópica única para guiar nuevos experimentos sobre portadores calientes en semiconductores ".