Le celle solari e i fotorivelatori potrebbero presto essere realizzati con nuovi tipi di materiali basati su punti quantici di semiconduttori, grazie a nuove informazioni basate su misurazioni ultraveloci che catturano i processi di fotoconversione in tempo reale.

"I nostri ultimi studi sulla spettroscopia elettro-ottica ultraveloce forniscono approfondimenti senza precedenti sulla fotofisica dei punti quantici, " ha affermato il ricercatore capo Victor Klimov, un fisico specializzato in nanocristalli semiconduttori presso il Los Alamos National Laboratory, "e queste nuove informazioni aiutano a perfezionare le proprietà dei materiali per applicazioni in dispositivi pratici di fotoconversione. La nostra nuova tecnica sperimentale ci consente di seguire una catena di eventi lanciati da impulsi laser a femtosecondi e individuare i processi responsabili delle perdite di efficienza durante la trasformazione della luce incidente in energia elettrica attuale."

La fotoconversione è un processo in cui l'energia di un fotone, o quanto di luce, si trasforma in altre forme di energia, Per esempio, chimico o elettrico. I punti quantici di semiconduttori sono nanoparticelle cristalline sintetizzate chimicamente che sono state studiate per più di tre decenni nel contesto di vari schemi di fotoconversione tra cui il fotovoltaico (generazione di fotoelettricità) e la fotocatalisi (generazione di "combustibili solari"). Il fascino dei punti quantici deriva dall'impareggiabile sintonizzabilità delle loro proprietà fisiche, che può essere regolato controllando la dimensione, forma e composizione dei punti.

A Los Alamos, la ricerca si collega alla missione istituzionale di risolvere le sfide della sicurezza nazionale attraverso l'eccellenza scientifica, in questo caso concentrandosi su nuovi principi fisici per una fotoconversione altamente efficiente, manipolazione della carica in strutture di dispositivi esplorativi e nuovi nanomateriali.

Guarda un video sui punti quantici:

L'interesse per i punti quantici come materiali delle celle solari è stato motivato dai loro spettri ottici sintonizzabili e da nuove interessanti fisiche come la moltiplicazione dei portatori ad alta efficienza, questo è, generazione di più coppie elettrone-lacuna da parte di singoli fotoni. Questo effetto, scoperto dai ricercatori di Los Alamos nel 2004, ha portato all'aumento delle attività nell'area delle celle solari a punti quantici che hanno rapidamente spinto l'efficienza dei dispositivi pratici a oltre il 10%.

Ulteriori progressi in questo settore sono stati ostacolati dalla sfida di comprendere i meccanismi della conduttanza elettrica nei solidi di punti quantici e i processi che limitano la distanza di trasporto di carica. Una sfida specifica e persistente di grande importanza dal punto di vista delle applicazioni fotovoltaiche (PV), Klimov ha detto, sta comprendendo le ragioni alla base di una notevole perdita di fototensione rispetto ai limiti teorici previsti, un problema con le celle solari a punti quantici noto come "deficit di fototensione". I ricercatori di Los Alamos presso il Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) aiutano a rispondere ad alcune delle domande di cui sopra.

Applicando una combinazione di tecniche ottiche ed elettriche ultraveloci, gli scienziati di Los Alamos sono stati in grado di risolvere passo dopo passo una sequenza di eventi coinvolti nella fotoconversione nei film di punti quantici dalla generazione di un eccitone alla separazione elettrone-lacuna, migrazione di carica da punto a punto e infine ricombinazione.

L'elevata risoluzione temporale di queste misurazioni (migliore di un miliardesimo di secondo) ha permesso al team di rivelare la causa di un grande calo dell'energia dell'elettrone, che risulta dall'intrappolamento di elettroni molto veloce da parte di stati correlati al difetto. Nel caso di dispositivi pratici, questo processo comporterebbe una fototensione ridotta. Gli studi appena condotti stabiliscono l'esatta scala temporale di questo problematico processo di intrappolamento e suggeriscono che un miglioramento moderato (meno di dieci volte) della mobilità degli elettroni dovrebbe consentire la raccolta di portatori di carica fotogenerati prima del loro rilassamento in stati a bassa energia. Ciò produrrebbe un notevole aumento della fototensione e quindi aumenterebbe l'efficienza complessiva del dispositivo.

Un altro effetto interessante rivelato da questi studi è l'influenza degli "spin" di elettroni e lacune sulla fotoconduttanza. Di solito le proprietà di spin delle particelle (possono essere pensate come la velocità e la direzione di rotazione delle particelle attorno al proprio asse) sono invocate nel caso di interazioni con un campo magnetico. Però, in precedenza si era scoperto che anche una debole interazione tra gli spin di un elettrone e una lacuna (la cosiddetta interazione di "scambio di spin") ha un effetto drammatico sull'emissione di luce dai punti quantici.

Le attuali misurazioni rivelano che queste interazioni influenzano anche il processo di separazione elettrone-lacuna tra punti adiacenti nei solidi di punti quantici. In particolare questi studi suggeriscono che gli sforzi futuri sui fotorivelatori a punti quantici ad alta sensibilità dovrebbero prendere in considerazione l'effetto del blocco degli scambi, che altrimenti potrebbe inibire la fotoconduttanza a bassa temperatura.

I materiali a punti quantici sono stati al centro della ricerca presso il Los Alamos Center for Advanced Solar Photophysics, che ha studiato la loro applicazione alle tecnologie dell'energia solare come i collettori di luce solare luminescenti per finestre solari e le celle fotovoltaiche a basso costo elaborate da soluzioni a punti quantici.