p (Phys.org) —Os pesquisadores de Los Alamos demonstraram um aumento de quase quatro vezes no rendimento da multiplicação de portadores com pontos quânticos nanoengenharia. A multiplicação de portadores ocorre quando um único fóton pode excitar vários elétrons. Os pontos quânticos são novas nanoestruturas que podem se tornar a base da próxima geração de células solares, capaz de extrair eletricidade adicional da energia extra dos fótons azuis e ultravioletas. p "As células solares típicas absorvem uma grande parte do espectro solar, mas por causa do rápido resfriamento de portadores de carga energética (ou "quente"), a energia extra dos fótons solares azuis e ultravioletas é desperdiçada na produção de calor, "disse Victor Klimov, diretor do Centro de Fotofísica Solar Avançada (CASP) do Laboratório Nacional de Los Alamos.

p Conseguir dois pelo preço de um

p "Em princípio, essa energia perdida pode ser recuperada convertendo-a em fotocorrente adicional por meio da multiplicação de portadores. Nesse caso, a colisão de um portador quente com um elétron da banda de valência o excita através da lacuna de energia, "Klimov disse." Desta forma, a absorção de um único fóton da extremidade de alta energia do espectro solar produz não apenas um, mas dois pares de elétron-buraco, o que em termos de produção de energia significa obter dois pelo preço de um. "

p A multiplicação de portadores é ineficiente nos sólidos a granel usados ​​em células solares comuns, mas é consideravelmente aprimorada em partículas semicondutoras ultrapequenas - também chamadas de pontos quânticos - como foi demonstrado pela primeira vez por pesquisadores do LANL em 2004 (Schaller &Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601, 2004). Em pontos quânticos convencionais, Contudo, a multiplicação de portadoras não é eficiente o suficiente para aumentar a produção de energia de dispositivos práticos.

p Um novo estudo conduzido no Center for Advanced Solar Photophysics demonstra que nanoestruturas de núcleo / casca adequadamente projetadas feitas de seleneto de chumbo e seleneto de cádmio (PbSe e CdSe) podem aumentar o rendimento de multiplicação de portadores quatro vezes em relação a pontos quânticos simples de PbSe.

p Klimov explicou, "Este forte aprimoramento é derivado principalmente do relaxamento de fônon incomumente lento de orifícios quentes que ficam presos em estados de alta energia dentro da camada espessa de CdSe. A longa vida útil desses orifícios energéticos facilita um mecanismo alternativo de relaxamento por meio de colisões com a banda de valência localizada no centro elétron que leva a uma multiplicação de portadores altamente eficiente. "

p As porcas e parafusos do resfriamento lento

p Para perceber o efeito do resfriamento lento da portadora, os pesquisadores do LANL fabricaram pontos quânticos de PbSe com uma camada de CdSe especialmente espessa. Qianglu Lin, um aluno CASP trabalhando na síntese desses materiais disse:"Uma característica marcante dos pontos quânticos de PbSe / CdSe de camada espessa é a emissão visível bastante brilhante, da casca, observada simultaneamente com a emissão infravermelha do núcleo. Isso mostra que o resfriamento intrabanda é desacelerado drasticamente, de modo que os buracos residam na casca por tempo suficiente para produzir emissão. "

p "Este relaxamento retardou, que está por trás do aumento observado da multiplicação de portadores, provavelmente se relaciona com a interação entre a localização do núcleo e da casca dos estados da banda de valência "explicou Nikolay Makarov, um espectroscopista trabalhando neste projeto. Istvan Robel, outro membro do CASP adicionou "Nossa modelagem indica que quando a casca é espessa o suficiente, os estados de buraco de alta energia ficam principalmente na casca, enquanto os estados de baixa energia ainda permanecem confinados ao núcleo. Esta separação leva ao desacoplamento eletrônico de estados de buracos de energia mais alta e mais baixa, que é responsável pelo resfriamento lento observado. "

p O que isso pode significar no futuro

p Embora o presente trabalho CASP seja baseado em pontos quânticos PbSe / CdSe, o conceito de "engenharia de multiplicação de portadores" por meio do controle de resfriamento intrabanda é geral, e deve ser realizável com outras combinações de materiais e / ou geometrias nanoestruturadas.

p Jeff Pietryga, o químico principal CASP diz, "Um aprimoramento adicional na multiplicação de portadores deve ser possível combinando esta nova abordagem com outros meios demonstrados para aumentar os rendimentos de multicarrier, como o uso de controle de forma (como em nanobastões) e / ou materiais em que o resfriamento já é naturalmente mais lento, como PbTe. "Aplicados juntos, essas estratégias podem fornecer uma rota prática para nanoestruturas exibindo desempenho de multiplicação de portadores se aproximando dos limites impostos pela conservação de energia.