El éxito en la creación de dispositivos semiconductores fotoelectrónicos depende en gran medida de mover cargas y excitones (pares de electrones y huecos) en direcciones específicas con el fin de crear combustible o electricidad.

En la fotosíntesis, las moléculas de pigmento absorben la energía solar y la transportan a un centro de reacción, donde la energía se convierte y utiliza. A medida que ocurre este proceso, los fotones generan pares de electrones y huecos que deben separarse para comenzar las reacciones químicas.

Inspirándose en el proceso natural de la fotosíntesis, investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) desarrollaron tres capas semiconductoras con dimensiones mixtas (2D/1D/2D) para permitir la disociación de excitones. Este paso de disociación de excitones, una división espacial y separación de pares excitados de electrones y huecos, es un proceso microscópico fundamental para el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos. Los investigadores explicaron los resultados en detalle en «Transporte de carga ultrarrápido en una tricapa nanoestructurada multidimensional«, publicado en ACS Nano.

A medida que avanza la transición a la energía limpia, los avances en los sistemas fotovoltaicos, que convierten la luz solar en electricidad, son fundamentales. Los sistemas fotovoltaicos se basan en la creación de pares discretos de electrones y huecos mediante la luz para alimentar un circuito externo.

«En este estudio, pudimos crear pares de electrones activados por la luz y separarlos durante mucho tiempo, más que los sistemas similares informados anteriormente», dijo el investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable Alexis Myers, un estudiante de posgrado.

Los materiales de baja dimensión ofrecen oportunidades para estudiar el transporte de excitones

Las propiedades electrónicas y ópticas diversas y sintonizables de los materiales de baja dimensión confinados cuánticamente, como los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (TMDC) y los nanotubos de carbono unidimensionales de pared simple (SWCNT), los convierten en candidatos principales para estudios fundamentales sobre carga y excitón. transferir. Este tipo de materiales han mejorado las interacciones entre los electrones y los agujeros de Coulomb, donde la fuerza electrostática provoca que la atracción entre los electrones y los agujeros forme un excitón. Para separar las cargas, los investigadores deben vencer la gravedad, que se ve dificultada por las grandes energías de unión.

Estos materiales tienen una gran energía de enlace de excitón (la energía necesaria para disociar un excitón) que puede impedir la generación de corrientes eléctricas para energía fotovoltaica, fotodetectores, sensores o enlaces químicos en sistemas de combustible solar. Por lo tanto, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables buscaron desarrollar una tricapa heterogénea que abordara este desafío.

«Extender la vida útil de la separación de cargas es esencial para aumentar las posibilidades de extracción de cargas», dijo Myers. «La creación de bicapas y capas tripletes surge de este deseo de aumentar la distancia entre cargas separadas». «Las cargas todavía están unidas electrostáticamente». «A través de la interfaz, aunque la interacción de Coulomb todavía está presente, lo que puede reducir la vida útil de la separación de cargas en la triple capa, pudimos rastrear los movimientos de los electrones y los agujeros secuencialmente a través de cada capa. , confirmando que efectivamente ya no están unidos».

Una vida de separación de carga más larga permite una mejor generación de corriente eléctrica

Las heteroestructuras complejas de baja dimensión, como las TMDC, tienen una vida útil más larga, lo que conduce al inicio de importantes reacciones fotoquímicas, que son fundamentales para la generación de electricidad en la energía fotovoltaica. Alexis Myers y su equipo han desarrollado una triple capa heterogénea de nanotubos de carbono de pared simple entre dos semiconductores que permite que se produzcan una serie de transferencias de carga fotoinducidas en las que los electrones (portadores de carga negativa) se mueven en una dirección mientras que los agujeros (portadores de carga positiva) ) moverse en la otra dirección.

La tricapa heterogénea imita el proceso natural de transferencia de carga observado en la fotosíntesis de las plantas, que inspiró su desarrollo. La capa intermedia unidimensional forma una parte importante de la estructura heterogénea, lo que ayuda a los portadores de carga a difundirse eficientemente de una capa bidimensional a otra.

El estudio también investigó los mecanismos de difusión de portadores en células fotovoltaicas 3D. Utilizando espectroscopía de absorción transitoria, los investigadores rastrearon la disociación de excitones y la difusión de carga a través de la triple capa heterogénea, y observaron la transferencia ultrarrápida de electrones a una capa y la transferencia de huecos a otra. La estructura de triple capa parece facilitar el transporte ultrarrápido de huecos y la disociación de excitones, lo que lleva a una separación de carga duradera.

El proceso de transferencia de carga permite un estado excitado, en el que los electrones y los huecos se encuentran en lugares separados dentro de la triple capa, donde pueden comenzar las reacciones fotoquímicas. Períodos de separación de carga más largos pueden significar que se genera una mayor corriente eléctrica porque no se recombinan más electrones y huecos.

La capa 3D produjo el doble de rendimiento de soporte en comparación con la capa 2D/1D. También permitió que las cargas discretas superaran las energías de unión de excitones entre capas de cargas discretas no unidas, un desafío importante con tales materiales.

“Estos materiales tienen una alta interacción electrostática entre el electrón y el hueco, sin embargo, hemos demostrado que podemos separarlos exitosamente mediante difusión eficiente a lo largo de una red de nanotubos de carbono de pared simple”, dijo Alejandra Hermosilla Palacios, investigadora postdoctoral en ciencia de materiales del Instituto Nacional Laboratorio de Energías Renovables. “El análisis cinético de los diferentes pasos es esencial para comprender la eficiencia de estos sistemas. Nos hemos centrado principalmente en la difusión de cargas gracias a los nanotubos de carbono de pared simple. Nos gustaría entender cómo las cargas se difunden o se mueven en la capa de TMDC para proponer nuevas y mejores. «Sistemas que pueden conducir a una mayor eficiencia». Más electrones y huecos, e incluso cargas más duraderas (posibilidad de generar una mayor corriente eléctrica) «.

En operaciones anteriores de transferencia de cargos, el mecanismo de transferencia de cargos no estaba claro o no se desarrolló como se esperaba.

«Nuestros resultados sugieren que secuencias de transporte de carga bien definidas pueden conducir a vidas útiles de carga separadas más largas y a un mayor rendimiento de carga (o transporte eficiente), allanando el camino para una mejor comprensión de cómo se mueve la carga a través de estos sistemas y cómo podemos continuar mejorándolos. ”, dijo Myers.

Estudios adicionales: innovación futura

Los resultados del estudio colocan estos modelos a nanoescala para otros estudios fundamentales de mecánica y dinámica vectorial. El mayor rendimiento de los portadores cargados indica aplicaciones futuras en sistemas fotovoltaicos avanzados. «El objetivo es seguir desglosando cada paso del proceso fotovoltaico para impulsar la mejora», dijo Myers.

«Nuestros resultados muestran implicaciones prometedoras para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos a nanoescala, como células solares y estructuras de combustible solar. Las heteroestructuras de dimensiones mixtas muestran ventajas fotofísicas y tecnológicas que pueden mejorar y acelerar la innovación en optoelectrónica», dijo Hermosilla Palacios.

Obtenga más información sobre ciencia energética básica en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y sobre el Departamento de Energía de EE. UU. Oficina de Ciencias Programa Básico de Ciencias Energéticas. está leyendo «Transporte de carga ultrarrápido en una tricapa nanoestructurada multidimensional» en ACS Nano.