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Viernes, 24 marzo 2017
Ciencia de los Materiales

Avance clave en el camino hacia el desarrollo de células solares basadas en puntos cuánticos

Las células solares y los fotodetectores podrían muy pronto ser fabricados a partir de nuevos tipos de materiales basados en puntos cuánticos semiconductores, gracias a nueva información procedente de mediciones ultrarrápidas que captan procesos de fotoconversión en tiempo real.

 

La fotoconversión es un proceso en el cual la energía de un fotón, o cuanto de luz, es convertida en otras formas de energía, por ejemplo, química o eléctrica. Los puntos cuánticos semiconductores son nanopartículas cristalinas sintetizadas químicamente que han sido estudiadas durante más de tres décadas en el contexto de varios métodos de fotoconversión, incluyendo el fotovoltaico (generación de fotoelectricidad) y la fotocatálisis (generación de “combustibles solares”). El interés de los puntos cuánticos procede de su incomparable capacidad de ajuste de sus propiedades físicas, incluyendo el control de su tamaño, forma y composición.

 

El interés hacia los puntos cuánticos como materiales para las células solares ha sido también motivado por su espectro óptico ajustable así como por el nuevo e interesante campo práctico de la física que pone a nuestro alcance, incluyendo por ejemplo la generación por fotones individuales de múltiples pares electrón-hueco. Este efecto, descubierto en 2004 por científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Estados Unidos, propició un aumento de las actividades de investigación en el área de las células solares de puntos cuánticos, que rápidamente impulsaron hasta más del 10 por ciento las eficiencias de los dispositivos puestos en práctica.

 

El reto de entender los mecanismos de la conductancia eléctrica en sólidos de puntos cuánticos y los procesos que limitan la distancia de transporte de la carga ha dificultado nuevos progresos en esta área. Uno de los desafíos específicos y persistentes, de gran importancia, es entender las razones que subyacen en una considerable pérdida de fotovoltaje con respecto a los límites teóricos que se predicen.

 

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Un pulso de láser del orden del femtosegundo lanza una fotocorriente transitoria en un punto cuántico sólido, que se resuelve temporalmente usando electrónica de muestreo ultrarrápida. Esta técnica proporciona información sin precedentes sobre la fotoconductancia temprana en conjuntos de puntos cuánticos para células solares y fotodetectores. (Imagen: Los Alamos National Laboratory)

 

Aplicando una combinación de técnicas ópticas y eléctricas ultrarrápidas, el equipo de Victor Klimov, del Laboratorio de Los Álamos, ha conseguido distinguir paso a paso una secuencia de eventos implicada en la fotoconversión en películas de puntos cuánticos, desde la generación de un excitón a la separación de un electrón-hueco, la migración de carga punto a punto, y finalmente la recombinación.

 

La elevada resolución temporal de estas mediciones (mejores que una milmillonésima de segundo) permitió al equipo poner de manifiesto la causa de una gran caída en la energía de los electrones. En el caso de un dispositivo práctico, este proceso resultaría en un fotovoltaje severamente mermado. Lo descubierto determina la escala de tiempo exacta de este proceso problemático y sugiere que cierta mejora, no muy difícil de hacer, produciría un aumento drástico en el fotovoltaje y por tanto incrementaría de manera decisiva la eficiencia general del dispositivo.

 

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