Un estudio sobre perovskitas de estaño identificó dos mecanismos que ralentizan la pérdida de energía solar de electrones calientes.
Panel de energía solar - Agencia Uno
Una investigación publicada en ACS Energy Letters identificó los mecanismos físicos que permiten prolongar hasta la escala de nanosegundos el tiempo durante el cual los portadores calientes mantienen su energía en perovskitas de haluros metálicos basadas en estaño. El trabajo fue desarrollado por investigadores vinculados al Zernike Institute for Advanced Materials de la Universidad de Groningen y otras instituciones.
El estudio aborda uno de los desafíos de las denominadas celdas solares de portadores calientes: aprovechar la energía solar adicional de los electrones excitados antes que se pierda en forma de calor. En condiciones habituales, estos portadores se enfrían en escalas de picosegundos, mientras que los tiempos necesarios para este tipo de dispositivo se sitúan en el rango de los nanosegundos.
El equipo estudió la interacción entre el llenado de bandas, asociado al efecto Burstein-Moss, y el llamado cuello de botella de fonones calientes.
El segundo fenómeno se produce cuando los portadores liberan energía hacia la red cristalina en forma de fonones. A concentraciones elevadas de portadores, aumenta también la ocupación de fonones y su reabsorción por los propios portadores puede competir con la pérdida de esas excitaciones. De esta manera, parte del proceso de enfriamiento se ralentiza.
El efecto Burstein-Moss interviene cuando los estados de menor energía quedan ocupados. En esas condiciones, los portadores tienen menos estados disponibles hacia los cuales relajarse, modificando la dinámica de pérdida de energía. La Universidad de Groningen explica que ambos mecanismos, considerados simultáneamente, permiten reproducir mediante simulaciones los tiempos de enfriamiento observados experimentalmente.
Para estudiar el fenómeno, los investigadores utilizaron simulaciones de Monte Carlo de conjunto y compararon sus resultados con mediciones de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo.
El artículo concluye que la combinación de llenado de bandas y cuello de botella de fonones calientes es suficiente para reproducir los tiempos de enfriamiento ultralargos observados en sistemas basados en perovskitas de estaño.
Los resultados también muestran que los portadores afectados por el llenado de bandas mantienen una temperatura de Fermi-Dirac elevada durante el proceso de relajación. El estudio señala temperaturas superiores a 600 K en escalas de tiempo de nanosegundos en sus resultados de simulación.
Las celdas solares de portadores calientes buscan extraer los portadores fotoexcitados antes de que pierdan su energía térmica adicional. El objetivo teórico es superar el límite de Shockley-Queisser, que establece una restricción para las celdas solares convencionales de una sola unión.
El trabajo plantea que las perovskitas basadas en estaño presentan características que podrían resultar útiles para este tipo de dispositivos. Entre ellas se encuentra su baja masa efectiva, que favorece las condiciones necesarias para el fenómeno de llenado de bandas.
La Universidad de Groningen señaló que, en teoría, este comportamiento podría permitir desarrollar celdas solares con eficiencias superiores al límite teórico asociado a las tecnologías convencionales. Sin embargo, la propia institución indica que todavía existen otras preguntas por resolver antes de que estos resultados puedan traducirse en dispositivos de este tipo.
