Los electrones atrapados en el silicio podrían ser la clave para optimizar la eficiencia de las células solares. Un estudio liderado por el IMDEA Nanociencia ha descubierto que, tras la excitación por la luz, muchos electrones quedan temporalmente retenidos en defectos superficiales antes de generar corriente eléctrica.
El hallazgo, publicado en Physical Review B, revela un inesperado «cuello de botella» de fonones que retrasa durante picosegundos la conductividad eléctrica. Comprender este fenómeno podría abrir nuevas estrategias para mejorar los dispositivos fotovoltaicos y la captación de energía solar.
Al estudiar cómo responden los electrones cuando la luz incide sobre el silicio, los científicos observaron que una fracción significativa de electrones excitados por los fotones queda temporalmente atrapada en estados superficiales poco profundos durante algunos picosegundos antes de liberar su energía y contribuir a la corriente eléctrica.
Este efecto no se había detectado previamente en excitaciones de baja energía típicas de la luz solar.
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Electrones atrapados en el silicio: el fenómeno microscópico que influye en la energía solar
Un estudio del IMDEA Nanociencia descubre un cuello de botella de fonones que retrasa la conductividad eléctrica en el material clave de la energía solar
Un estudio liderado por investigadores del IMDEA Nanociencia ha revelado que los electrones fotoexcitados quedan «temporalmente atrapados» en uno de los materiales más importantes para la captación de energía solar, el silicio, lo que sería clave para optimizar aún más el rendimiento de las células solares.
El estudio, publicado en la revista ‘Physical Review B’, es el resultado de una colaboración entre investigadores del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (España) y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania), que han descubierto este «atasco» inesperado para los electrones.
Un cuello de botella de fonones inesperado
Los investigadores explican que, cuando la luz incide sobre el silicio, uno de los materiales más importantes para la captación de energía solar, excita los electrones, lo que les permite moverse libremente y generar corriente eléctrica.
A diferencia de otros materiales, el silicio no solo necesita fotones para desencadenar este proceso, sino que también requiere la ayuda de fonones (vibraciones de la red cristalina), según ha señalado el IMDEA Nanociencia en una nota.
Comprender exactamente la rapidez y eficiencia con la que se produce este proceso es fundamental para mejorar los dispositivos optoelectrónicos basados en silicio, aunque incluso en un material tan estudiado como este, algunos de los procesos ultrarrápidos que controlan el flujo de energía a nivel microscópico son aún desconocidos.
La primera evidencia experimental con excitaciones de baja energía
En este nuevo estudio, investigadores de los institutos IMDEA Nanociencia y MPIP han utilizado espectroscopia terahercio resuelta en el tiempo para observar cómo se comportan los electrones inmediatamente después de que el silicio sea excitado con luz.
Para sondear la fotogeneración de portadores de carga en toda la muestra, excitaron el silicio utilizando fotones infrarrojos cercanos al intervalo de banda (es decir, el borde de absorción).
Inesperadamente, en lugar de un aumento inmediato de la conductividad eléctrica, como predice la teoría estándar, observaron una respuesta retardada que duró unos pocos picosegundos.
Un análisis detallado reveló posteriormente que una gran parte de los electrones quedaron atrapados temporalmente en estados de defectos superficiales cerca del borde de la banda antes de ser liberados a la banda de conducción mediante la absorción de fonones.
«Lo que observamos fue un accidente», afirma uno de los autores del estudio, Enrique Cánovas, quien esperaba «una respuesta instantánea», pero en su encontró «que los electrones se tomaban un respiro».
Los investigadores identificaron la causa como un cuello de botella de fonones: una escasez temporal de vibraciones reticulares (fonones) necesarias para que los electrones escaparan de estas trampas poco profundas.
Aunque los cuellos de botella de fonones son bien conocidos cuando se excita el silicio con electrones de alta energía, esta es la primera prueba experimental de que el efecto también puede producirse con excitaciones de baja energía generadas cerca -o incluso por debajo- de la banda prohibida.
Nuevas preguntas sobre la interacción entre luz infrarroja y silicio
Un análisis detallado reveló posteriormente que una gran parte de los electrones quedaron atrapados temporalmente en estados de defectos superficiales cerca del borde de la banda antes de ser liberados a la banda de conducción mediante la absorción de fonones.
Este descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre cómo se fotogeneran los electrones en el silicio y podría tener implicaciones en la eficiencia con la que los materiales absorben la luz en los dispositivos fotovoltaicos reales.
Los hallazgos plantean nuevas preguntas sobre cómo interactúa la luz infrarroja de baja energía con el silicio y si este cuello de botella transitorio podría aprovecharse -o mitigarse- para optimizar aún más el rendimiento de las células solares.
Aunque todavía se trata de ciencia básica, estos resultados amplían las oportunidades de optimizar dispositivos fotovoltaicos basados en el material dominante del mercado, y refuerzan la importancia de explorar los detalles microscópicos de la conversión de luz en electricidad para futuras mejoras tecnológicas. Seguir leyendo en ENERGIAS RENOVABLES.
