El material está iluminado con fotones. En algunos de los nanocristales de germanio, los fotones hacen que los electrones se exciten, y así formar un par electrón-hueco (e-h). Hay dos posibilidades. (1) El fotón entrante tiene una energía en el rango entre una y dos veces la energía de banda prohibida. Se forma un par e-h. (2) El fotón entrante tiene una energía de más de dos veces la energía de banda prohibida. El exceso de energía del electrón, la energía "cinética" del electrón que se excita en lo alto de la banda de conducción, es suficiente para crear un segundo par e-h en el mismo nanocristal. De ese modo, se logra la multiplicación de portadores. Crédito:Investigación fundamental sobre la materia (FOM)
Investigadores de FOM, la Universidad de Amsterdam, la Universidad Tecnológica de Delft y la Universidad del Algarve han descubierto que cuando la luz golpea los nanocristales de germanio, los cristales producen "electrones adicionales". Estos electrones adicionales podrían aumentar el rendimiento de las células solares y mejorar la sensibilidad de los fotodetectores. Los investigadores publicarán su trabajo en Luz:ciencia y aplicaciones hoy dia.
En nanocristales, la absorción de un solo fotón puede conducir a la excitación de múltiples electrones:¡dos por uno! Este fenómeno, conocida como multiplicación de portadores, ya era muy conocido en nanocristales de silicio. El silicio es el material más utilizado en las células solares. Sin embargo, Los investigadores encontraron que la multiplicación de portadores también ocurre en nanocristales de germanio, que son más adecuados para optimizar la eficiencia que los nanocristales de silicio. Su descubrimiento podría conducir a mejores células solares.
Física de semiconductores
El germanio y el silicio son ejemplos de semiconductores:materiales que tienen una banda prohibida de energía. Cuando estos materiales absorben la luz, los electrones de la banda por debajo de esta brecha de energía (banda de valencia) saltan a la banda por encima de la brecha (banda de conducción). Estos electrones "calientes" excitados y los agujeros que dejan atrás pueden recolectarse para formar una corriente eléctrica. Forman el combustible básico de una célula solar.
Nanocristales y multiplicación de portadores
Si un fotón absorbido contiene más energía de la que requiere un electrón para saltar sobre la banda prohibida, el exceso de energía se puede utilizar para excitar un segundo electrón. Investigaciones anteriores han demostrado que una energía de banda prohibida de 0,6 a 1,0 electronvoltios es ideal para lograr esta multiplicación de portadora.
Los nanocristales son extremadamente pequeños, unas mil veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Debido a su tamaño, la estructura energética de los cristales es dramáticamente diferente a la del material a granel. De hecho, la energía de la banda prohibida depende del tamaño del nanocristal. El germanio a granel tiene una banda prohibida de energía de 0,67 electronvoltios. Al ajustar el tamaño de los nanocristales de germanio, los investigadores pueden cambiar la energía de la banda prohibida a valores entre 0,6 y 1,4 electronvoltios. Esto está dentro del rango ideal para optimizar la multiplicación de portadoras, o la cantidad de "electrones de bonificación".
Realizando el experimento
Para investigar la multiplicación de portadores en nanocristales, los investigadores utilizaron una técnica óptica llamada espectroscopia de bomba-sonda. Un pulso láser inicial, llamado la bomba, emite fotones que excitan el nanocristal creando un electrón libre en la banda de conducción. Un segundo pulso de fotones, llamado la sonda, luego puede ser absorbido por este electrón.
Los investigadores encontraron que si la energía del fotón de la bomba es el doble de la energía de banda prohibida de los nanocristales de germanio, la luz de la sonda es absorbida por dos electrones en lugar de uno. Este efecto es la conocida huella dactilar de la multiplicación de portadores. En otras palabras, si el fotón de la bomba lleva suficiente energía, el electrón caliente contiene suficiente energía en exceso para excitar un segundo electrón en el mismo nanocristal. Usando esta multiplicación de portadores, Los nanocristales de germanio pueden ayudar a lograr la máxima eficiencia de las células solares.
