Cuando una célula solar absorbe un fotón de luz, comienza una carrera electrónica contra el tiempo. Dos partículas, un electrón cargado negativamente y un "agujero" cargado positivamente, generan electricidad si se separan por completo.
Sin embargo, cuando estas partículas quedan atrapadas dentro de un material solar antes de que puedan separarse por completo, puede disminuir la capacidad del material para convertir la luz en electricidad.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han publicado un nuevo estudio que identifica el proceso por el cual los agujeros quedan atrapados en nanopartículas hechas de óxido de zinc, un material de potencial interés para aplicaciones solares porque absorbe la luz ultravioleta.
Utilizando rayos X producidos por la Fuente avanzada de fotones APS de Argonne, los investigadores pudieron ver la captura de agujeros en regiones específicas de la nanopartícula. Esto representa un avance notable, ya que los experimentos anteriores pudieron detectar la migración y la capturade electrones pero no de agujeros.
Según Stephen Southworth, autor del estudio, algunos han considerado el óxido de zinc como una posible alternativa al dióxido de titanio, el material fotovoltaico más utilizado. Es necesario comprender el comportamiento de atrapamiento de agujeros para evaluar la viabilidad del material en la energía solaraplicaciones, dijo.
Aunque la captura de agujeros perjudica el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos, puede mejorar la capacidad del óxido de zinc para actuar como fotocatalizador, ya que las cargas positivas almacenadas en las trampas dentro del material pueden actuar como participantes en reacciones químicas.
"Si estás haciendo una célula solar, quieres evitar atrapar agujeros; pero si estás haciendo un fotocatalizador, quieres atraparlos", dijo el líder del proyecto, Christopher Milne, científico de rayos X en el Instituto Paul Scherreren Suiza. "Independientemente, comprender cómo quedan atrapados estos átomos, y por cuánto tiempo, es de vital importancia para hacer materiales funcionales que conviertan la luz en energía utilizable".
Los investigadores determinaron que los agujeros quedaron atrapados en "vacantes de oxígeno", lugares dentro de la red cristalina donde falta un átomo de oxígeno. El óxido de zinc, dijo Milne, tiene una estructura cristalina que le permite tener muchas de estas vacantes.la captura ocurre porque las vacantes tienen un nivel de energía más bajo que el entorno circundante, creando una grieta energética para pasar agujeros.
Para realizar sus mediciones, los investigadores combinaron dos técnicas diferentes de rayos X: espectroscopía de absorción de rayos X y espectroscopía de emisión de rayos X resonantes. "Combinar estas técnicas es posible de forma única con la configuración que tenemos en el APS, lo que nos da una visióneso nos muestra tanto la geometría atómica como la estructura electrónica del material ", dijo el físico de rayos X de Argonne Gilles Doumy, autor del estudio, que utilizó la línea de haz 7ID-D en el APS.
"APS fue uno de los únicos lugares en el mundo donde podríamos haber hecho este experimento. Fue una colaboración muy fructífera", dijo Milne. El APS es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
Los investigadores indicaron que los estudios futuros del sistema podrían beneficiarse de tener la capacidad de tomar instantáneas extremadamente rápidas del comportamiento de captura. Tal experimento podría llevarse a cabo en instalaciones de láser de rayos X de electrones libres como la Fuente de Luz Coherente Linac de SLAC, tambiénuna instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
"Esencialmente, queremos ver el mismo proceso pero tenemos la capacidad de tomar imágenes mil veces más rápido", dijo Southworth.
"La funcionalidad del material siempre dependerá de cómo el comportamiento en los primeros momentos del proceso influye en el comportamiento en tiempos posteriores y más largos", agregó Doumy. "Necesitamos ambas imágenes para una comprensión integral".
Un artículo basado en la investigación, "Revelando la captura de agujeros en nanopartículas de óxido de zinc por espectroscopía de rayos X resuelta en el tiempo", apareció en la edición en línea del 2 de febrero de Comunicaciones de la naturaleza . La física de Argonne Anne Marie March también co-escribió el artículo.
El trabajo fue patrocinado, en parte, por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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