Cientistas do NIM da LMU Munique descobriram um novo efeito em relação à excitação óptica de portadores de carga em um semicondutor solar. Pode facilitar a utilização de luz infravermelha, que normalmente é perdido em dispositivos solares.

Os semicondutores são hoje os materiais mais importantes para converter a luz solar em energia elétrica utilizável. A Agência Internacional de Energia (IEA) informou que meio milhão de painéis solares foram instalados todos os dias em todo o mundo no ano passado. Contudo, as células solares baseadas em semicondutores ainda sofrem de eficiências de conversão de energia relativamente baixas. A razão para isso reside principalmente no fato de que os semicondutores convertem com eficiência a luz de uma porção bem pequena do espectro solar em energia elétrica. A posição espectral desta janela de luz que pode ser convertida de forma eficiente está fortemente relacionada a uma propriedade do semicondutor envolvido (ou seja, seu intervalo de banda). Isso significa que, se o semicondutor é projetado para absorver luz amarela, luz de comprimento de onda mais longo (como luz vermelha e infravermelha), vai passar pelo material sem produzir correntes. Adicionalmente, luz de comprimento de onda mais curto (verde, luz azul e UV), que é mais enérgico do que a luz amarela, vai perder sua quantidade adicional de energia em calor. Obter maior eficiência de conversão de energia de semicondutores, portanto, ainda é um grande desafio.

Nanocristais de perovskita para conversão de energia

Para estudar essas limitações, Aurora Manzi, um Ph.D. aluno da Cátedra de Fotônica liderada pelo Prof. Jochen Feldmann, mediu a densidade do portador de carga criada pela absorção de vários fótons em nanocristais de perovskita, um material novo e promissor para aplicações fotovoltaicas.

"A absorção de múltiplos fótons de luz de longo comprimento de onda com uma energia inferior à janela de absorção do semicondutor é geralmente muito ineficiente.", destaca Manzi, primeiro autor da publicação em Nature Communications e um aluno do programa de pós-graduação NIM. "Fiquei, portanto, totalmente surpreso ao observar que, para comprimentos de onda de excitação específicos, a eficiência desse processo aumenta drasticamente. No início, isso não fazia sentido para nós!"

Luz e excitação "sobretons" em ressonância

Após intensas discussões, a equipe de cientistas da LMU percebeu que essas ressonâncias ocorrem quando múltiplos de duas frequências fundamentais distintas tornam-se iguais, a saber, a da frequência da oscilação da luz primária e a da frequência do intervalo de banda ou, mais precisamente, do excitão no intervalo de banda.

Pode-se fazer uma analogia com a ressonância ou fenômenos harmônicos na acústica, comumente usado em instrumentos musicais. Quando a luz vermelha intensa incide sobre os nanocristais de perovskita nanoestruturados, ocorre um processo semelhante à geração de harmônicos em uma corda de violão. O comprimento de onda de luz fundamental gera harmônicos ópticos de ordem superior, que são sobretons cujas frequências são múltiplos inteiros da oscilação de luz primária. Quando tal "sobretom leve" se torna ressonante com uma sobretom do intervalo excitônico, a troca de energia é aprimorada, levando a uma geração aumentada de portadores de carga ou, mais precisamente, de vários excitons no gap.

Ponto de partida para pesquisas futuras

“As ressonâncias observadas são análogas aos fenômenos físicos que ocorrem em duas cordas diferentes de um violão”, continua Manzi. "Se associarmos a primeira corda à excitação de luz e a segunda corda ao intervalo excitônico do semicondutor, sabemos pela acústica que eles entrarão em ressonância se um certo harmônico da primeira corda corresponder a outro harmônico da segunda corda. "

"A observação deste novo fenômeno de ressonância para excitações ópticas em semicondutores excitônicos poderia abrir caminho para que as células solares convertessem com mais eficiência a luz de longo comprimento de onda em energia elétrica utilizável", acrescenta o Prof. Feldmann, o líder da equipe de pesquisa. "Esta é uma descoberta nova e empolgante com um possível impacto para dispositivos solares futuros. Junto com nossos colegas da Rede de Pesquisa" Solar Technologies Go Hybrid "(SolTech), agora tentaremos desenvolver aplicativos inovadores brincando com tais conotações. "