Uno dei principali blocchi stradali per la progettazione e lo sviluppo di nuovi, celle solari più efficienti potrebbero essere state eliminate. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno sviluppato il primo dall'inizio metodo – inteso come modello teorico privo di parametri regolabili o empirici – per caratterizzare le proprietà dei "portatori caldi" nei semiconduttori. I portatori caldi sono portatori di carica elettrica - elettroni e lacune - con un'energia significativamente maggiore rispetto ai portatori di carica all'equilibrio termico.

"La termalizzazione del vettore caldo è una delle principali fonti di perdita di efficienza nelle celle solari, ma a causa della scala temporale inferiore al picosecondo e della fisica complessa coinvolta, la caratterizzazione dei vettori caldi è stata a lungo una sfida anche per i materiali più semplici, "dice Steven Louie, un fisico teorico e uno scienziato senior della facoltà con la divisione di scienze dei materiali (MSD) del Berkeley Lab. "Il nostro lavoro è il primo dall'inizio calcolo delle principali grandezze di interesse per vettori caldi - durata, che ci dice quanto tempo impiegano i vettori caldi a perdere energia, e la via libera media, che ci dice quanto lontano possono viaggiare i vettori caldi prima di perdere la loro energia."

Tutti i precedenti metodi teorici per il calcolo di questi valori richiedevano parametri empirici estratti da misurazioni di trasporto o ottiche di campioni di alta qualità, un requisito che tra i materiali semiconduttori notevoli è stato raggiunto solo per silicio e arseniuro di gallio. Il dall'inizio metodo sviluppato da Louie e Jeff Neaton, Direttore della Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti di nanoscienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) ospitata presso il Berkeley Lab, collaborando con Marco Bernardi, Derek Vigil-Fowler e Johannes Lischner, non richiede parametri sperimentali diversi dalla struttura del materiale.

"Ciò significa che possiamo studiare i vettori caldi in una varietà di superfici, nanostrutture, e materiali, come cristalli inorganici e organici, senza fare affidamento su esperimenti esistenti, " dice Neaton. "Possiamo anche studiare materiali che non sono ancora stati sintetizzati. Poiché possiamo accedere a strutture ideali e prive di difetti con i nostri metodi, possiamo prevedere tempi di vita intrinseci e cammini liberi medi che sono difficili da estrarre dagli esperimenti a causa della presenza di impurità e difetti nei campioni reali. Possiamo anche utilizzare il nostro modello per valutare direttamente l'influenza di difetti e impurità".

Neaton, come Luigi, è uno scienziato senior della facoltà di MSD presso l'Università della California (UC) Berkeley. Neaton tiene anche un appuntamento con il Kavli Institute for Energy Nanosciences. Sono gli autori corrispondenti di un articolo in Lettere di revisione fisica descrivendo questo lavoro intitolato " Dall'inizio Studio dei portatori caldi nel primo picosecondo dopo l'assorbimento della luce solare nel silicio." Bernardi è l'autore principale dell'articolo, e Vigil-Fowler il coautore principale.

Le celle solari a giunzione singola a base di silicio cristallino si stanno rapidamente avvicinando al limite teorico della loro efficienza, che è circa il 30 per cento. Ciò significa che se una cella solare a base di silicio raccoglie 1, 000 Watt per metro quadrato di energia, la maggior quantità di elettricità che può generare è di 300 Watt per metro quadrato. I vettori caldi sono fondamentali per migliorare l'efficienza delle celle solari, poiché la loro termalizzazione comporta la perdita di ben un terzo dell'energia solare assorbita nel silicio, e valori simili in altri semiconduttori. Però, le proprietà dei vettori caldi in materiali complessi per applicazioni fotovoltaiche e altre moderne applicazioni optoelettroniche sono ancora poco conosciute.

"Il nostro studio mirava a fornire dati utili per la dinamica dei portatori caldi nel silicio con applicazione nelle celle solari, " dice Bernardi. "In questo studio forniamo calcoli dai primi principi che descrivono i due meccanismi chiave di perdita, indotta da elettroni e fononi, rispettivamente, con la massima accuratezza e nell'ambito delle teorie del funzionale della densità e delle perturbazioni a molti corpi."

Quando il team di ricerca ha applicato il proprio metodo per studiare il tempo di rilassamento e il percorso libero medio dei portatori caldi nel silicio, hanno scoperto che la termalizzazione sotto illuminazione solare è completata entro 350 femtosecondi, ed è dominato dall'emissione di fononi dai portatori caldi, un processo che diventa progressivamente più lento man mano che i portatori caldi perdono energia e si rilassano verso i bordi della banda. Questo risultato della modellazione era in eccellente accordo con i risultati degli esperimenti con pompa-sonda. Mentre il modello è stato testato solo su silicio in questo studio, i ricercatori sono fiduciosi che avrà lo stesso successo con altri materiali.

"Riteniamo che il nostro approccio sia di grande valore per i gruppi sperimentali che studiano i vettori caldi nel contesto delle celle solari e di altre tecnologie di energia rinnovabile in quanto può essere utilizzato per calcolare la durata e il percorso libero medio dei vettori caldi con energie specifiche, momento, e direzioni cristallografiche con una risoluzione senza precedenti, "Dice Bernardi. "Mentre espandiamo il nostro studio sui vettori caldi a una gamma di materiali cristallini e nanostrutture, crediamo che i nostri dati forniranno una visione microscopica unica per guidare nuovi esperimenti sui portatori caldi nei semiconduttori".