Scienziati del Pacific Northwest National Laboratory, University College London, e la Florida International University hanno determinato come un particolare materiale di ossido, lantanio ossido di cromo (LCO), interagisce con la luce visibile e ultravioletta.
L'assorbimento della luce da parte di alcuni tipi di materiali determina la conversione dell'energia luminosa in energia elettrica, un processo di grande importanza nella tecnologia energetica. Il sole è abbondante nella luce visibile che sembra verde all'occhio, ed essere in grado di convertire la luce solare in elettricità porta ad un libero, fonte di energia pulita che non lascia alcuna impronta di carbonio. Tali fonti di energia sono essenziali per un sicuro, sicuro, e futuro energetico rispettoso dell'ambiente, qualcosa che dovrebbe interessare ogni americano.
Solo alcuni tipi di materiali possono assorbire la luce e convertire la luce in elettricità. Questi materiali sono chiamati semiconduttori. "Semi" è un prefisso latino che significa "metà". Così, un semiconduttore può essere pensato come un mezzo o un conduttore parziale di elettricità, rispetto ai metalli, che sono ottimi conduttori di elettricità. La ragione per cui un semiconduttore è solo un conduttore parziale di elettricità è perché le sue bande di energia, o orbitali, dove risiedono gli elettroni, sono divisi in due tipi. Uno è chiamato banda di valenza (VB). Gli elettroni nel VB non sono mobili e, perciò, non può condurre elettricità. L'altro è chiamato banda di conduzione (CB), e gli elettroni nel CB sono mobili. Nei semiconduttori, la concentrazione di elettroni nel CB è bassa rispetto a quella nei metalli, conseguente conduzione parziale. VB e CB sono separati da una quantità fissa di energia, chiamato gap di banda. Se un semiconduttore viene irradiato con luce la cui energia è maggiore del band gap, gli elettroni possono assorbire la luce ed essere sollevati dal VB al CB, con conseguente conducibilità elettrica indotta dalla luce. Trovare modi per modificare le proprietà dei semiconduttori in modo che assorbano la luce in particolari intervalli di energia è molto importante nel fotovoltaico, la scienza della conversione dell'energia da luce a elettricità.
I materiali di interesse attuale per il fotovoltaico spesso includono atomi tossici o rari. Questi includono gallio, arsenico, cadmio e tellurio. Inoltre, le superfici di questi materiali fotovoltaici reagiscono con l'ossigeno nell'atmosfera e formano ossidi, che cambia le loro proprietà in modi che le rendono meno utili per le tecnologie fotovoltaiche. Una classe di materiali ideale per le future applicazioni fotovoltaiche sono gli ossidi metallici, ossidi metallici particolarmente complessi. Questi materiali possono essere realizzati da abbondanti, atomi economici, e sono stabili all'aria perché sono già ossidi. Però, le proprietà ottiche degli ossidi più complessi sono esse stesse piuttosto complesse, e molto poco compreso. Acquisire una comprensione dettagliata di uno di questi ossidi, LCO, è il focus di questo studio.
L'approccio del team è stato quello di produrre LCO ultra puro depositando fasci separati di lantanio, cromo, e atomi di ossigeno su un substrato solido, utilizzando un processo chiamato epitassia a fascio molecolare. Hanno quindi illuminato la pellicola LCO e variato l'energia della luce, che abbracciano le porzioni visibile e quasi ultravioletta dello spettro elettromagnetico. Hanno determinato le energie a cui la luce è stata assorbita dall'LCO. Lo spettro di assorbimento della luce è piuttosto complesso, e non è possibile comprendere l'origine dei diversi picchi di assorbimento senza l'ausilio di calcoli teorici. A tal fine, il team ha effettuato una serie dettagliata di calcoli teorici in cui hanno simulato il processo di assorbimento della luce in LCO per diverse energie luminose. Ciò ha consentito loro di determinare in dettaglio quali parti dell'OdC e dell'OdC in LCO erano coinvolte in specifici eventi di assorbimento. Quello che hanno imparato è stato abbastanza sorprendente. Indagini sperimentali precedenti hanno portato alla conclusione che l'inizio della conduttività elettrica si verifica per un'energia luminosa di ~ 3,3 elettronvolt. L'indagine combinata sperimentale e teorica del team ha mostrato che l'inizio della conduttività elettrica si verifica effettivamente per un'energia luminosa molto più elevata, ~4.8 elettronvolt. Le caratteristiche di assorbimento a energie più basse (come 3,3 elettronvolt) sono in realtà dovute a eccitazioni localizzate che non determinano la conduzione di elettricità attraverso l'LCO, e sono stati interpretati erroneamente in studi precedenti.
Questa indagine fa parte di uno studio più ampio volto a spostare il band gap di LCO a valori più bassi, dove il sole è più abbondante nella luce solare. La strategia del team è sostituire alcuni degli atomi di lantanio nell'LCO con atomi di stronzio. Nel limite della sostituzione del 100% del lantanio con lo stronzio, otteniamo l'ossido di cromo di stronzio, che è un metallo. I risultati preliminari indicano che all'aumentare della percentuale di lantanio sostituito con stronzio, il band gap infatti diminuisce nell'intervallo desiderato. Questo risultato, se ritenuto riproducibile, significa che l'ossido di cromo di stronzio lantanio è un candidato attraente per un semiconduttore di ossido di banda proibita sintonizzabile che sarebbe utile per il fotovoltaico, o tecnologia di "raccolta della luce".
