I semiconduttori convertono l'energia dei fotoni (luce) in una corrente di elettroni. Però, alcuni fotoni trasportano troppa energia per essere assorbita dal materiale. Questi fotoni producono "elettroni caldi, " e l'energia in eccesso di questi elettroni viene convertita in calore. Gli scienziati dei materiali hanno cercato modi per raccogliere questa energia in eccesso. Gli scienziati dell'Università di Groningen e della Nanyang Technological University (Singapore) hanno ora dimostrato che questo potrebbe essere più facile del previsto da combinando una perovskite con un materiale accettore di elettroni caldi, la cui dimostrazione di principio è stata pubblicata in Progressi scientifici il 15 novembre.

Nelle celle fotovoltaiche, i semiconduttori assorbiranno l'energia dei fotoni, ma solo da fotoni che hanno la giusta quantità di energia:troppo poca, ei fotoni passano proprio attraverso il materiale; troppo, e l'energia in eccesso si perde sotto forma di calore. La giusta quantità è determinata dal bandgap:la differenza nei livelli di energia tra l'orbitale molecolare più alto occupato (HOMO) e l'orbitale molecolare più basso non occupato (LUMO).

Nanoparticelle

"L'energia in eccesso degli elettroni caldi prodotti dai fotoni ad alta energia viene assorbita molto rapidamente dal materiale sotto forma di calore, " spiega Maxim Pshenichnikov, professore di spettroscopia ultraveloce presso l'Università di Groningen. Per catturare completamente l'energia degli elettroni caldi, devono essere utilizzati materiali con una banda proibita maggiore. Però, ciò significa che gli elettroni caldi dovrebbero essere trasportati su questo materiale prima di perdere la loro energia. L'attuale approccio generale alla raccolta di questi elettroni è quello di rallentare la perdita di energia, Per esempio, utilizzando nanoparticelle invece di materiale sfuso. "In queste nanoparticelle, ci sono meno opzioni per gli elettroni di rilasciare l'energia in eccesso sotto forma di calore, " spiega Pshenichnikov.

Insieme ai colleghi della Nanyang Technological University, dove è stato visiting professor negli ultimi tre anni, Pshenichnikov ha studiato un sistema in cui un semiconduttore di perovskite ibrido organico-inorganico è stato combinato con il composto organico batofenantrolina (bphen), un materiale con un ampio bandgap. Gli scienziati hanno usato la luce laser per eccitare gli elettroni nella perovskite e hanno studiato il comportamento degli elettroni caldi che sono stati generati.

Barriera

"Abbiamo usato un metodo chiamato pump-push probing per eccitare gli elettroni in due fasi e studiarli su scale temporali di femtosecondi, " spiega Pshenichnikov. Ciò ha permesso agli scienziati di produrre elettroni nelle perovskiti con livelli di energia appena al di sopra del bandgap di bphen, senza eccitare gli elettroni nel bphen. Perciò, eventuali elettroni caldi in questo materiale sarebbero venuti dalla perovskite.

I risultati hanno mostrato che gli elettroni caldi del semiconduttore di perovskite sono stati prontamente assorbiti dal bphen. "Questo è successo senza la necessità di rallentare questi elettroni, ed inoltre, in materiale sfuso. Quindi senza trucchi, gli elettroni caldi sono stati raccolti." Tuttavia, gli scienziati hanno notato che l'energia richiesta era leggermente superiore al bandgap del bphen. "Questo è stato inaspettato. A quanto pare, è necessaria un po' di energia in più per superare una barriera all'interfaccia tra i due materiali."

Tuttavia, lo studio fornisce una prova di principio per la raccolta di elettroni caldi in materiale semiconduttore di perovskite sfuso. Psenichnikov dice, "Gli esperimenti sono stati eseguiti con una quantità realistica di energia, paragonabile alla luce visibile. La prossima sfida è costruire un vero dispositivo utilizzando questa combinazione di materiali".