Gli scienziati del NIM della LMU di Monaco hanno scoperto un nuovo effetto sull'eccitazione ottica dei portatori di carica in un semiconduttore solare. Potrebbe facilitare l'utilizzo della luce infrarossa, che normalmente si perde nei dispositivi solari.

I semiconduttori sono al giorno d'oggi i materiali più importanti per convertire la luce solare in energia elettrica utilizzabile. L'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) ha riferito che lo scorso anno mezzo milione di pannelli solari sono stati installati ogni giorno in tutto il mondo. Però, le celle solari a semiconduttore soffrono ancora di efficienze di conversione dell'energia relativamente basse. La ragione di ciò risiede principalmente nel fatto che i semiconduttori convertono in modo efficiente la luce da una porzione piuttosto piccola dello spettro solare in energia elettrica. La posizione spettrale di questa finestra di luce che può essere convertita in modo efficiente è fortemente correlata a una proprietà del semiconduttore coinvolto (cioè, il suo band-gap). Ciò significa che, se il semiconduttore è progettato per assorbire la luce gialla, luce a lunghezza d'onda più lunga (come la luce rossa e infrarossa), attraverserà il materiale senza produrre correnti. Inoltre, luce a lunghezza d'onda più corta (verde, luce blu e UV), che è più energico della luce gialla, perderà la sua ulteriore quantità di energia in calore. Ottenere una maggiore efficienza di conversione dell'energia dai semiconduttori è quindi ancora una grande sfida.

Nanocristalli di perovskite per la conversione dell'energia

Per studiare queste limitazioni, Aurora Manzi, un dottorato di ricerca studente della Cattedra di Fotonica diretta dal Prof. Jochen Feldmann, ha misurato la densità dei portatori di carica creata dall'assorbimento di più fotoni nei nanocristalli di perovskite, un materiale nuovo e promettente per le applicazioni fotovoltaiche.

"L'assorbimento di più fotoni di luce a lunga lunghezza d'onda con un'energia inferiore alla finestra di assorbimento del semiconduttore è solitamente molto inefficiente.", mette in evidenza Manzi, primo autore della pubblicazione in Comunicazioni sulla natura e uno studente del corso di laurea NIM. "Sono stato quindi totalmente sorpreso di osservare che per specifiche lunghezze d'onda di eccitazione l'efficienza di questo processo aumenta drasticamente. All'inizio questo non aveva alcun senso per noi!"

Luce ed eccitone "sottotono" in risonanza

Dopo intense discussioni, il team di scienziati LMU si è reso conto che queste risonanze si verificano quando multipli di due frequenze fondamentali distinte diventano uguali, ovvero quella della frequenza dell'oscillazione della luce primaria e quella della frequenza del band gap o più precisamente dell'eccitone al band gap.

Si potrebbe tracciare un'analogia con la risonanza o i fenomeni armonici in acustica, comunemente usato negli strumenti musicali. Quando un'intensa luce rossa colpisce i nanocristalli di perovskite nanostrutturati, avviene un processo simile alla generazione di armonici in una corda di chitarra. La lunghezza d'onda fondamentale della luce genera armoniche ottiche di ordine superiore, cioè armonici le cui frequenze sono multipli interi dell'oscillazione primaria della luce. Quando un tale "sottotono leggero" diventa risonante con un armonico del band-gap eccitonico, lo scambio di energia viene potenziato portando ad una maggiore generazione di portatori di carica o più precisamente di più eccitoni al band gap.

Punto di partenza per ulteriori ricerche

"Le risonanze osservate sono analoghe ai fenomeni fisici che avvengono in due diverse corde di una chitarra", continua Manzi. "Se associamo la prima stringa all'eccitazione luminosa e la seconda stringa al band-gap eccitonico del semiconduttore, sappiamo dall'acustica che entreranno in risonanza se una certa armonica della prima corda corrisponderà a un'altra armonica della seconda corda."

"L'osservazione di questo nuovo fenomeno di risonanza per le eccitazioni ottiche nei semiconduttori eccitonici potrebbe aprire la strada alle celle solari per convertire in modo più efficiente la luce a lunga lunghezza d'onda in energia elettrica utilizzabile", aggiunge il prof. Feldmann, il capo del gruppo di ricerca. "Si tratta di una nuova scoperta entusiasmante con un possibile impatto per i futuri dispositivi solari. Insieme ai nostri colleghi della rete di ricerca "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), ora cercheremo di sviluppare applicazioni innovative giocando con tali sfumature."