I semiconduttori sono utilizzati per una miriade di dispositivi optoelettronici. Però, man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli e più esigenti, sono necessari nuovi materiali per garantire che i dispositivi funzionino con maggiore efficienza. Ora, i ricercatori della USC Viterbi School of Engineering hanno aperto la strada a una nuova classe di materiali semiconduttori che potrebbe migliorare la funzionalità dei dispositivi optoelettronici e dei pannelli solari, forse anche utilizzando un materiale cento volte inferiore rispetto al silicio comunemente usato.

Ricercatori dell'USC Viterbi, guidato da Jayakanth Ravichandran, un assistente professore nel dipartimento di ingegneria chimica e scienze dei materiali della famiglia Mork e tra cui Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matteo Yeung, Kevin Sì, Louis Blankemeier, Tommaso Orvis, Debarghya Sarkar, Assistente Professore di Ingegneria Elettrica Rehan Kapadia, e David J. Singh, un professore di fisica dell'Università del Missouri, hanno sviluppato una nuova classe di materiali con prestazioni superiori e tossicità ridotta. Il loro processo, documentato in "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogende, " è pubblicato in Materiale avanzato .

Ravichandran, il capofila di questa ricerca, è uno scienziato dei materiali, che è sempre stato interessato a comprendere il flusso di elettroni e calore attraverso i materiali, così come il modo in cui gli elettroni interagiscono all'interno dei materiali. Questa profonda conoscenza di come la composizione del materiale influisce sul movimento degli elettroni è stata fondamentale per l'innovazione più recente di Ravichandran e dei suoi colleghi.

I computer e l'elettronica stanno migliorando, ma secondo Jayakanth Ravichandran, il ricercatore principale di questo studio, "le prestazioni del dispositivo più elementare, i transistor, non stanno migliorando". C'è un plateau in termini di prestazioni, come notato da quella che è considerata la "fine della legge di Moore". Simile all'elettronica, c'è molto interesse per lo sviluppo di semiconduttori ad alte prestazioni per l'optoelettronica. Il team collaborativo di scienziati dei materiali e ingegneri elettrici voleva sviluppare nuovi materiali che potessero mostrare le proprietà ottiche ed elettriche ideali per una varietà di applicazioni come display, rilevatori ed emettitori di luce, così come le celle solari.

I ricercatori hanno sviluppato una classe di semiconduttori chiamati "calcogenuri di perovskite di metalli di transizione". Attualmente, i semiconduttori più utili non contengono abbastanza portatori per un dato volume di materiale (una proprietà che viene definita "densità di stati") ma trasportano gli elettroni velocemente e quindi sono noti per avere un'elevata mobilità. La vera sfida per gli scienziati è stata quella di aumentare questa densità di stati nei materiali, mantenendo un'elevata mobilità. Si prevede che il materiale proposto possieda queste proprietà contrastanti.

Come primo passo per mostrare le sue potenziali applicazioni, i ricercatori hanno studiato la sua capacità di assorbire ed emettere luce. "C'è un detto, " dice Ravichandran del dialogo tra coloro che operano nel campo dell'ottica e della fotonica, "che un ottimo LED è anche un'ottima cella solare." Poiché i materiali sviluppati da Ravichandran e dai suoi colleghi assorbono ed emettono luce in modo efficace, le celle solari sono una possibile applicazione.

Le celle solari assorbono la luce e la convertono in elettricità. Però, i pannelli solari sono fatti di silicio, che proviene dalla sabbia attraverso un processo di estrazione ad alta intensità energetica. Se le celle solari potessero essere fatte di un nuovo, materiale semiconduttore alternativo come quello creato dai ricercatori dell'USC Viterbi, un materiale che potrebbe contenere più elettroni per un dato volume (e riducendo lo spessore dei pannelli), le celle solari potrebbero essere più efficienti, magari utilizzando cento volte meno materiale per generare la stessa quantità di energia. Questo nuovo materiale, se applicato nel settore dell'energia solare, potrebbe rendere l'energia solare meno costosa.

Sebbene sia una lunga strada portare sul mercato una tale classe di materiali, il passo successivo è ricreare questo materiale sotto forma di film ultrasottile per realizzare celle solari e testarne le prestazioni. "Il contributo fondamentale di questo lavoro, "dice Ravichandran, "è il nostro nuovo metodo di sintesi, che è un drastico miglioramento rispetto a studi precedenti. Anche, la nostra dimostrazione di ampia sintonizzabilità nelle proprietà ottiche (in particolare il band gap) è promettente per lo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici con proprietà ottiche sintonizzabili".