Las células solares y los fotodetectores pronto podrían fabricarse a partir de nuevos tipos de materiales basados ​​en puntos cuánticos semiconductores. gracias a nuevos conocimientos basados ​​en mediciones ultrarrápidas que capturan procesos de fotoconversión en tiempo real.

"Nuestros últimos estudios de espectroscopia electroóptica ultrarrápida proporcionan información sin precedentes sobre la fotofísica de los puntos cuánticos, "dijo el investigador principal Victor Klimov, un físico especializado en nanocristales semiconductores en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, "y esta nueva información ayuda a perfeccionar las propiedades de los materiales para aplicaciones en dispositivos prácticos de fotoconversión. Nuestra nueva técnica experimental nos permite seguir una cadena de eventos lanzados por pulsos de láser de femtosegundos y precisar los procesos responsables de las pérdidas de eficiencia durante la transformación de la luz incidente en electricidad Actual."

La fotoconversión es un proceso en el que la energía de un fotón, o cuanto de luz, se convierte en otras formas de energía, por ejemplo, químico o eléctrico. Los puntos cuánticos semiconductores son nanopartículas cristalinas sintetizadas químicamente que se han estudiado durante más de tres décadas en el contexto de varios esquemas de fotoconversión, incluida la fotovoltaica (generación de fotoelectricidad) y la fotocatálisis (generación de "combustibles solares"). El atractivo de los puntos cuánticos proviene de la incomparable sintonización de sus propiedades físicas, que se puede ajustar controlando el tamaño, forma y composición de los puntos.

En Los Alamos, la investigación se conecta con la misión institucional de resolver los desafíos de seguridad nacional a través de la excelencia científica, en este caso, centrándose en principios físicos novedosos para una fotoconversión altamente eficiente, manipulación de cargas en estructuras de dispositivos exploratorios y nanomateriales novedosos.

Vea un video sobre puntos cuánticos:

El interés en los puntos cuánticos como materiales de células solares ha sido motivado por sus espectros ópticos sintonizables, así como por una nueva física interesante, como la multiplicación de portadores de alta eficiencia. es decir, generación de múltiples pares de electrones-huecos por fotones individuales. Este efecto, descubierto por investigadores de Los Alamos en 2004, resultó en el aumento de actividades en el área de las células solares de puntos cuánticos que rápidamente llevaron la eficiencia de los dispositivos prácticos a más del 10 por ciento.

El progreso adicional en esta área se ha visto obstaculizado por el desafío de comprender los mecanismos de conductancia eléctrica en sólidos de puntos cuánticos y los procesos que limitan la distancia de transporte de carga. Un desafío específico y persistente de gran importancia desde el punto de vista de las aplicaciones fotovoltaicas (FV), Klimov dijo:está comprendiendo las razones que subyacen a una pérdida considerable de fotovoltaje en comparación con los límites teóricos previstos, un problema con las células solares de puntos cuánticos conocido como "déficit de fotovoltaje". Los investigadores de Los Alamos en el Centro de Fotofísica Solar Avanzada (CASP) ayudan a responder algunas de las preguntas anteriores.

Aplicando una combinación de técnicas ópticas y eléctricas ultrarrápidas, Los científicos de Los Alamos han podido resolver paso a paso una secuencia de eventos involucrados en la fotoconversión en películas de puntos cuánticos desde la generación de un excitón hasta la separación de huecos de electrones. migración de carga punto a punto y finalmente recombinación.

La alta resolución temporal de estas mediciones (mejor que una mil millonésima de segundo) permitió al equipo revelar la causa de una gran caída de la energía del electrón. que resulta de una captura de electrones muy rápida por estados relacionados con defectos. En el caso de dispositivos prácticos, este proceso daría como resultado una reducción del fotovoltaje. Los estudios recientemente realizados establecen la escala de tiempo exacta de este proceso de captura problemático y sugieren que una mejora moderada (menos de diez veces) en la movilidad de los electrones debería permitir la recolección de portadores de carga fotogenerados antes de su relajación en estados de menor energía. Esto produciría un aumento dramático en el fotovoltaje y, por lo tanto, aumentaría la eficiencia general del dispositivo.

Otro efecto interesante revelado por estos estudios es la influencia de los "giros" de electrones y huecos en la fotoconductancia. Por lo general, las propiedades de giro de las partículas (se pueden considerar como la velocidad y la dirección de rotación de las partículas alrededor de su eje) se invocan en el caso de interacciones con un campo magnético. Sin embargo, anteriormente se encontró que incluso una interacción débil entre los espines de un electrón y un agujero (la llamada interacción de "intercambio de espín") tiene un efecto dramático sobre la emisión de luz de los puntos cuánticos.

Las presentes mediciones revelan que estas interacciones también afectan el proceso de separación de huecos de electrones entre puntos adyacentes en sólidos de puntos cuánticos. Específicamente, estos estudios sugieren que los esfuerzos futuros sobre fotodetectores de puntos cuánticos de alta sensibilidad deberían tener en cuenta el efecto del bloqueo de intercambio, que de otro modo podría inhibir la fotoconductancia a baja temperatura.

Los materiales de puntos cuánticos han estado en el centro de la investigación en el Centro de Fotofísica Solar Avanzada de Los Alamos, que ha investigado su aplicación a tecnologías de energía solar, como los colectores de luz solar luminiscente para ventanas solares y las células fotovoltaicas de bajo costo procesadas a partir de soluciones de puntos cuánticos.