p Um dos principais obstáculos para a concepção e desenvolvimento de novos, células solares mais eficientes podem ter sido eliminadas. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) desenvolveram o primeiro ab initio método - significando um modelo teórico livre de parâmetros ajustáveis ​​ou empíricos - para caracterizar as propriedades de "portadores quentes" em semicondutores. Portadores quentes são portadores de carga elétrica - elétrons e lacunas - com energia significativamente mais alta do que portadores de carga em equilíbrio térmico. p "A termalização do portador quente é uma importante fonte de perda de eficiência em células solares, mas por causa da escala de tempo sub-picossegundo e da física complexa envolvida, a caracterização de transportadores quentes tem sido um desafio, mesmo para os materiais mais simples, "diz Steven Louie, um físico teórico e cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab (MSD). “Nosso trabalho é o primeiro ab initio cálculo das quantidades-chave de interesse para transportadores quentes - tempo de vida, que nos diz quanto tempo leva para os portadores quentes perderem energia, e o caminho livre médio, que nos diz o quão longe as transportadoras quentes podem viajar antes de perder sua energia. "

p Todos os métodos teóricos anteriores para calcular esses valores exigiam parâmetros empíricos extraídos do transporte ou medições ópticas de amostras de alta qualidade, uma exigência que, entre os materiais semicondutores notáveis, só foi alcançada para o silício e o arsenieto de gálio. o ab initio método desenvolvido por Louie e Jeff Neaton, Diretor da Fundição Molecular, um Centro de Usuários de Nanociências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) hospedado no Berkeley Lab, trabalhando com Marco Bernardi, Derek Vigil-Fowler e Johannes Lischner, não requer parâmetros experimentais além da estrutura do material.

p "Isso significa que podemos estudar transportadores quentes em uma variedade de superfícies, nanoestruturas, e materiais, como cristais inorgânicos e orgânicos, sem depender de experimentos existentes, "diz Neaton." Podemos até estudar materiais que ainda não foram sintetizados. Uma vez que podemos acessar estruturas que são ideais e sem defeitos com nossos métodos, podemos prever tempos de vida intrínsecos e significar caminhos livres que são difíceis de extrair de experimentos devido à presença de impurezas e defeitos em amostras reais. Também podemos usar nosso modelo para avaliar diretamente a influência de defeitos e impurezas. "

p Neaton, como Louie, é cientista sênior do corpo docente da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley. Neaton também tem um compromisso com o Instituto Kavli de Nanociências de Energia. Eles são os autores correspondentes de um artigo em Cartas de revisão física descrevendo este trabalho intitulado " Ab Initio Estudo de portadores quentes no primeiro picossegundo após absorção de luz solar no silício. "Bernardi é o autor principal do artigo, e Vigil-Fowler, o co-autor principal.

p As células solares de junção única baseadas em silício cristalino estão se aproximando rapidamente do limite teórico de sua eficiência, que é aproximadamente 30 por cento. Isso significa que se uma célula solar à base de silício coleta 1, 000 Watts por metro quadrado de energia, o máximo de eletricidade que pode gerar é de 300 Watts por metro quadrado. Os transportadores quentes são cruciais para aumentar a eficiência da célula solar, uma vez que sua termalização resulta na perda de até um terço da energia solar absorvida no silício, e valores semelhantes em outros semicondutores. Contudo, as propriedades dos portadores quentes em materiais complexos para aplicações fotovoltaicas e outras aplicações optoeletrônicas modernas ainda são pouco compreendidas.

p "Nosso estudo teve como objetivo fornecer dados úteis para a dinâmica de portadores quentes em silício com aplicação em células solares, "diz Bernardi." Neste estudo, fornecemos cálculos a partir dos primeiros princípios que descrevem os dois mecanismos principais de perda, induzido por elétrons e fônons, respectivamente, com precisão de última geração e dentro das estruturas das teorias de função de densidade e de perturbação de muitos corpos. "

p Quando a equipe de pesquisa aplicou seu método para estudar o tempo de relaxamento e o caminho livre médio de portadores quentes no silício, eles descobriram que a termalização sob iluminação solar é concluída em 350 femtossegundos, e é dominado pela emissão de fônons de portadores quentes, um processo que se torna progressivamente mais lento à medida que os portadores quentes perdem energia e relaxam em direção às bordas da banda. Este resultado de modelagem estava em excelente acordo com os resultados dos experimentos com bomba-sonda. Embora o modelo tenha sido testado apenas em silício neste estudo, os pesquisadores estão confiantes de que será igualmente bem-sucedido com outros materiais.

p "Acreditamos que nossa abordagem é altamente valiosa para grupos experimentais que estudam portadores quentes no contexto de células solares e outras tecnologias de energia renovável, pois pode ser usada para calcular a vida útil e significa caminho livre de portadores quentes com energias específicas, momento, e direções cristalográficas com resolução sem precedentes, "Bernardi diz." À medida que expandimos nosso estudo de portadores quentes para uma gama de materiais cristalinos e nanoestruturas, acreditamos que nossos dados fornecerão uma visão microscópica única para orientar novos experimentos em portadores quentes em semicondutores. "