p Células solares e fotodetectores poderão em breve ser feitos de novos tipos de materiais baseados em pontos quânticos semicondutores, graças a novos insights baseados em medições ultrarrápidas que capturam processos de fotoconversão em tempo real. p "Nossos estudos de espectroscopia eletro-óptica ultrarrápidos fornecem percepções sem precedentes sobre a fotofísica de pontos quânticos, "disse o pesquisador principal Victor Klimov, um físico especializado em nanocristais de semicondutores no Laboratório Nacional de Los Alamos, "e essas novas informações ajudam a aperfeiçoar as propriedades dos materiais para aplicações em dispositivos de fotoconversão práticos. Nossa nova técnica experimental nos permite seguir uma cadeia de eventos lançados por pulsos de laser de femtossegundo e identificar processos responsáveis ​​por perdas de eficiência durante a transformação de luz incidente em elétrica atual."

p A fotoconversão é um processo em que a energia de um fóton, ou quantum de luz, é convertido em outras formas de energia, por exemplo, químico ou elétrico. Os pontos quânticos semicondutores são nanopartículas cristalinas sintetizadas quimicamente que foram estudadas por mais de três décadas no contexto de vários esquemas de fotoconversão, incluindo fotovoltaica (geração de fotoeletricidade) e fotocatálise (geração de "combustíveis solares"). O apelo dos pontos quânticos vem da sintonia incomparável de suas propriedades físicas, que pode ser ajustado controlando o tamanho, forma e composição dos pontos.

p Em Los Alamos, a pesquisa se conecta à missão institucional de resolver os desafios da segurança nacional por meio da excelência científica, neste caso, enfocando novos princípios físicos para fotoconversão altamente eficiente, manipulação de carga em estruturas de dispositivos exploratórios e novos nanomateriais.

p Veja um vídeo sobre pontos quânticos:

p O interesse em pontos quânticos como materiais de células solares foi motivado por seus espectros ópticos sintonizáveis, bem como por novas físicas interessantes, como a multiplicação de portadores de alta eficiência, isso é, geração de múltiplos pares de elétron-buraco por fótons únicos. Este efeito, descoberto por pesquisadores de Los Alamos em 2004, resultou no aumento de atividades na área de células solares de pontos quânticos que rapidamente empurrou a eficiência de dispositivos práticos para mais de 10 por cento.

p O progresso adicional nesta área tem sido prejudicado pelo desafio de compreender os mecanismos de condutância elétrica em sólidos de pontos quânticos e os processos que limitam a distância de transporte de carga. Um desafio específico e persistente de grande importância do ponto de vista das aplicações fotovoltaicas (PV), Klimov disse, está compreendendo as razões subjacentes a uma perda considerável de fotovoltagem em comparação com os limites teóricos previstos - um problema com células solares de pontos quânticos conhecido como "déficit de fotovoltagem". Os pesquisadores de Los Alamos no Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) ajudam a responder algumas das perguntas acima.

p Ao aplicar uma combinação de técnicas ultrarrápidas ópticas e elétricas, os cientistas de Los Alamos foram capazes de resolver passo a passo uma sequência de eventos envolvidos na fotoconversão em filmes de pontos quânticos desde a geração de um exciton até a separação elétron-buraco, migração de carga ponto a ponto e, finalmente, recombinação.

p A alta resolução temporal dessas medições (melhor que um bilionésimo de segundo) permitiu que a equipe revelasse a causa de uma grande queda da energia do elétron, que resulta de um aprisionamento de elétrons muito rápido por estados relacionados a defeitos. No caso de dispositivos práticos, este processo resultaria em fotovoltagem reduzida. Os estudos recém-conduzidos estabelecem a escala de tempo exata desse processo de aprisionamento problemático e sugerem que uma melhora moderada (menos de dez vezes) na mobilidade do elétron deve permitir a coleta de portadores de carga fotogerados antes de seu relaxamento em estados de energia mais baixa. Isso produziria um aumento dramático na fotovoltagem e, portanto, aumentaria a eficiência geral do dispositivo.

p Outro efeito interessante revelado por esses estudos é a influência dos "spins" de elétrons e lacunas na fotocondutância. Normalmente, as propriedades de spin das partículas (podem ser consideradas como a taxa e a direção da rotação da partícula em torno de seu eixo) são invocadas no caso de interações com um campo magnético. Contudo, anteriormente, foi descoberto que mesmo uma interação fraca entre os spins de um elétron e um buraco (a chamada interação de "troca de spin") tem um efeito dramático na emissão de luz dos pontos quânticos.

p As medições atuais revelam que essas interações também afetam o processo de separação elétron-buraco entre pontos adjacentes em sólidos de pontos quânticos. Especificamente, esses estudos sugerem que esforços futuros em fotodetectores de pontos quânticos de alta sensibilidade devem levar em consideração o efeito do bloqueio de troca, que de outra forma pode inibir a fotocondutância de baixa temperatura.

p Os materiais de pontos quânticos têm estado no centro da pesquisa no Centro de Los Alamos para Fotofísica Solar Avançada, que investigou sua aplicação a tecnologias de energia solar, como coletores de luz solar luminescente para janelas solares e células fotovoltaicas de baixo custo processadas a partir de soluções de pontos quânticos.