Un equipo de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha desarrollado un método óptico que permite identificar de forma sencilla si un material semiconductor transforma la luz en excitones o en cargas eléctricas libres. El avance, publicado en la revista científica The Journal of Physical Chemistry Letters, puede contribuir al desarrollo de células solares, LED y otros dispositivos optoelectrónicos más eficientes.
Un método sencillo para analizar el comportamiento de los semiconductores
La investigación demuestra que una medida de fotoluminiscencia dependiente de la potencia es suficiente para conocer qué tipo de portadores energéticos genera un semiconductor cuando absorbe luz.
El sistema ha sido validado en perovskitas bidimensionales de Ruddlesden-Popper y ofrece resultados comparables a los obtenidos mediante técnicas mucho más complejas y costosas.
El trabajo ha sido realizado por Antonella Cutrupi, Marc Meléndez, Raquel Utrera-Melero, Michel Frising, Enrique Arévalo Rodríguez y Upasana Das, bajo la dirección del investigador Ferry Prins, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.
Excitones y cargas libres: dos comportamientos con aplicaciones distintas
Cuando un semiconductor absorbe luz puede generar dos tipos de portadores energéticos.
Por un lado, los excitones, formados por un electrón y un hueco unidos por atracción eléctrica, favorecen la emisión eficiente de luz y resultan especialmente útiles para tecnologías como los LED o los láseres.
Por otro, las cargas libres pueden desplazarse a través del material y generar corriente eléctrica, una característica esencial para el funcionamiento de las células solares.
Disponer de una técnica rápida y económica para distinguir ambos comportamientos permitirá optimizar el desarrollo de nuevos materiales destinados a la generación de energía, la iluminación o las comunicaciones.
La intensidad de la luz modifica el comportamiento del material
Uno de los principales avances del estudio consiste en demostrar que la proporción entre excitones y cargas libres cambia según la intensidad de la iluminación.
Los investigadores advierten de que muchos análisis tradicionales no contemplan esta variación, lo que puede conducir a interpretaciones erróneas sobre el funcionamiento real de los materiales.
El nuevo método incorpora este factor y permite extrapolar el comportamiento observado en laboratorio a condiciones de funcionamiento mucho más próximas a las de una instalación solar.
Según explica la investigadora Antonella Cutrupi, estudiar estos materiales únicamente con láseres de alta potencia puede ofrecer una imagen incompleta de cómo responderán bajo la luz natural del sol.
Un sistema basado en fotoluminiscencia y modelos físicos
La técnica consiste en iluminar el material con pulsos de láser de distinta intensidad y analizar cómo evoluciona la luz que emite.
El equipo combina estas mediciones con la ecuación de Saha, utilizada habitualmente en física de plasmas, para calcular la proporción de excitones y portadores libres presentes en el semiconductor en cada momento.
Las pruebas se realizaron mediante un sistema de conteo temporal de fotones individuales (TCSPC), utilizando un láser pulsado y un sistema automatizado para modificar la potencia de iluminación.
Las perovskitas confirman el potencial del método
Los ensayos se llevaron a cabo sobre perovskitas de Ruddlesden-Popper, materiales híbridos considerados candidatos de gran interés para la próxima generación de células solares y dispositivos de iluminación.
Los investigadores comprobaron además que los bordes de estos cristales presentan una mayor concentración de cargas libres que su interior, una información que puede resultar determinante para comprender cómo afectan los defectos y la microestructura al rendimiento final de los dispositivos.
La posibilidad de integrar esta técnica en microscopios de fotoluminiscencia permitirá elaborar mapas muy precisos del comportamiento local de estos materiales y facilitará el diseño de tecnologías optoelectrónicas más eficientes.
