O material é iluminado com fótons. Em alguns dos nanocristais de germânio, os fótons fazem com que os elétrons sejam excitados, e assim formar um par elétron-buraco (e-h). Existem duas possibilidades. (1) O fóton que chega tem uma energia na faixa entre uma e duas vezes a energia do bandgap. Um par e-h é formado. (2) O fóton que chega tem uma energia de mais de duas vezes a energia do bandgap. O excesso de energia do elétron - a energia "cinética" do elétron que é excitado no alto da banda de condução - é suficiente para criar um segundo par e-h no mesmo nanocristal. Dessa forma, a multiplicação da portadora é alcançada. Crédito:Fundamental Research on Matter (FOM)
Pesquisadores da FOM, a Universidade de Amsterdã, a Universidade de Tecnologia de Delft e a Universidade do Algarve descobriram que quando a luz atinge os nanocristais de germânio, os cristais produzem 'elétrons bônus'. Esses elétrons adicionais podem aumentar o rendimento das células solares e melhorar a sensibilidade dos fotodetectores. Os pesquisadores publicarão seus trabalhos em Light:Ciência e Aplicações hoje.
Em nanocristais, a absorção de um único fóton pode levar à excitação de vários elétrons:dois por um! Este fenômeno, conhecido como multiplicação de portadora, já era bem conhecido em nanocristais de silício. O silício é o material mais comumente usado em células solares. Contudo, os pesquisadores descobriram que a multiplicação de portadores também ocorre em nanocristais de germânio, que são mais adequados para otimizar a eficiência do que os nanocristais de silício. Sua descoberta pode levar a melhores células solares.
Física de semicondutores
O germânio e o silício são exemplos de semicondutores:materiais que possuem um intervalo de energia. Quando esses materiais absorvem luz, os elétrons da banda abaixo desse gap de energia (banda de valência) saltam para a banda acima do gap (banda de condução). Esses elétrons "quentes" excitados e os buracos que deixam para trás podem ser coletados para formar uma corrente elétrica. Eles formam o combustível básico para uma célula solar.
Nanocristais e multiplicação de portadores
Se um fóton absorvido contém mais energia do que um elétron requer para saltar o bandgap, o excesso de energia pode ser usado para excitar um segundo elétron. Pesquisas anteriores mostraram que uma energia de bandgap de 0,6 a 1,0 eletronvolts é ideal para atingir essa multiplicação de portadores.
Os nanocristais são extremamente pequenos, cerca de mil vezes menor que a largura de um cabelo humano. Devido ao seu tamanho, a estrutura de energia dos cristais é dramaticamente diferente daquela do material a granel. Na verdade, a energia do bandgap depende do tamanho do nanocristal. O germânio a granel tem um intervalo de energia de 0,67 eletronvolts. Ajustando o tamanho dos nanocristais de germânio, os pesquisadores podem alterar a energia do bandgap para valores entre 0,6 e 1,4 eletronvolts. Isso está dentro da faixa ideal para otimizar a multiplicação de portadores, ou a quantidade de 'elétrons bônus'.
Realizando o experimento
Para investigar a multiplicação de portadores em nanocristais, os pesquisadores usaram uma técnica óptica chamada espectroscopia de sonda de bomba. Um pulso de laser inicial, chamada de bomba, emite fótons que excitam o nanocristal, criando um elétron livre na banda de condução. Um segundo pulso de fótons, chamado de sonda, pode então ser absorvido por este elétron.
Os pesquisadores descobriram que se a energia do fóton da bomba for duas vezes a energia do bandgap dos nanocristais de germânio, a luz da sonda é absorvida por dois elétrons em vez de um. Este efeito é a conhecida impressão digital da multiplicação da portadora. Em outras palavras, se o fóton da bomba transportar energia suficiente, o elétron quente contém energia em excesso suficiente para excitar um segundo elétron no mesmo nanocristal. Usando esta multiplicação de portadora, os nanocristais de germânio podem ajudar a alcançar a eficiência máxima das células solares.
