Cientistas do Pacific Northwest National Laboratory, University College London, e a Florida International University determinaram como um determinado material de óxido, óxido de cromo de lantânio (LCO), interage com a luz visível e ultravioleta.

A absorção de luz por certos tipos de materiais resulta na conversão de energia luminosa em energia elétrica, um processo de grande importância na tecnologia energética. O sol é abundante em luz visível que parece verde aos olhos, e ser capaz de converter a luz do sol em eletricidade leva a um fonte de energia limpa que não deixa pegada de carbono. Essas fontes de energia são essenciais para um seguro, seguro, e futuro energético amigo do ambiente, algo que deve ser do interesse de todos os americanos.

Apenas certos tipos de materiais podem absorver luz e convertê-la em eletricidade. Esses materiais são chamados de semicondutores. "Semi" é um prefixo latino que significa "metade". Então, um semicondutor pode ser considerado meio condutor ou condutor parcial de eletricidade, em relação aos metais, que são excelentes condutores de eletricidade. A razão de um semicondutor ser apenas um condutor parcial de eletricidade é porque suas faixas de energia, ou orbitais, onde residem os elétrons, são separados em dois tipos. Uma é chamada de banda de valência (VB). Os elétrons no VB não são móveis e, Portanto, não pode conduzir eletricidade. A outra é chamada de banda de condução (CB), e os elétrons no CB são móveis. Em semicondutores, a concentração de elétrons no CB é baixa em comparação com a dos metais, resultando em condução parcial. O VB e o CB são separados por uma quantidade fixa de energia, chamado de gap de banda. Se um semicondutor é irradiado com luz cuja energia é maior do que o gap, elétrons podem absorver a luz e ser elevados do VB para o CB, resultando em condutividade elétrica induzida pela luz. Encontrar maneiras de modificar as propriedades dos semicondutores para que eles absorvam luz em faixas de energia específicas é muito importante em fotovoltaicos, a ciência da conversão de energia luz em eletricidade.

Os materiais de interesse atual em energia fotovoltaica geralmente incluem átomos tóxicos ou raros. Isso inclui o gálio, arsênico, cádmio e telúrio. Além disso, as superfícies desses materiais fotovoltaicos reagem com o oxigênio da atmosfera e formam óxidos, que muda suas propriedades de forma que os torna menos úteis para tecnologias fotovoltaicas. Uma classe ideal de materiais para futuras aplicações fotovoltaicas são os óxidos de metal, óxidos de metal especificamente complexos. Esses materiais podem ser feitos de abundantes, átomos baratos, e são estáveis ​​no ar porque já são óxidos. Contudo, as propriedades ópticas da maioria dos óxidos complexos são bastante complexas, e muito mal compreendido. Obter uma compreensão detalhada de um desses óxidos, LCO, é o foco deste estudo.

A abordagem da equipe era fazer LCO ultra-puro depositando feixes separados de lantânio, cromo, e átomos de oxigênio em um substrato sólido, usando um processo chamado epitaxia de feixe molecular. Eles então iluminaram o filme LCO e variaram a energia da luz, abrangendo as porções visíveis e ultravioleta próximas do espectro eletromagnético. Eles determinaram as energias nas quais a luz foi absorvida pelo LCO. O espectro de absorção de luz é bastante complexo, e não é possível entender a origem dos diferentes picos de absorção sem o auxílio de cálculos teóricos. Para este fim, a equipe realizou um conjunto detalhado de cálculos teóricos nos quais simularam o processo de absorção de luz em LCO para diferentes energias luminosas. Isso permitiu que eles determinassem em detalhes quais partes do CB e VB em LCO estavam envolvidas em eventos de absorção específicos. O que aprenderam foi bastante surpreendente. Investigações experimentais anteriores levaram à conclusão de que o início da condutividade elétrica ocorre para uma energia de luz de ~ 3,3 elétron-volts. A investigação experimental e teórica combinada da equipe mostrou que o início da condutividade elétrica realmente ocorre para uma energia de luz muito maior, ~ 4,8 elétron-volts. As características de absorção em energias mais baixas (como 3,3 elétron-volts) são, na verdade, devido a excitações localizadas que não resultam em eletricidade sendo conduzida através do LCO, e foram mal interpretados em estudos anteriores.

Esta investigação faz parte de um estudo maior que visa deslocar o gap de LCO para valores mais baixos, onde o sol é mais abundante em luz solar. A estratégia da equipe é substituir alguns dos átomos de lantânio no LCO por átomos de estrôncio. No limite de 100% de substituição de lantânio por estrôncio, obtemos óxido de estrôncio e cromo, que é um metal. Os resultados preliminares indicam que à medida que a porcentagem de lantânio substituído por estrôncio aumenta, o gap de banda de fato diminui para a faixa desejada. Este resultado, se for reproduzível, significa que o óxido de estrôncio, lantânio e cromo é um candidato atraente para um semicondutor de óxido de lacuna de banda ajustável que seria útil para sistemas fotovoltaicos, ou tecnologia de "colheita de luz".