Enciendes una célula solar y esperas a que fluyan los electrones. Pero hay un momento, invisible y brevísimo, en el que una parte de ellos simplemente se detiene. A nuevo estudio publicado en Physical Review B acaba de explicar por qué.

El descubrimiento. Investigadores del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia) y del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Alemania (MPIP) han descubierto que, en el silicio, los electrones fotoexcitados no se activan inmediatamente cuando reciben luz. Durante unos pocos picosegundos (millonésimas de millonésima de segundo) quedan atrapados en pequeñas trampas de material antes de que puedan circular y generar corriente. El responsable tiene un nombre: un cuello de botella de fonones.

¿Qué son los fonones y por qué son importantes? El silicio tiene una particularidad respecto a otros materiales: para que se libere un electrón al recibir luz no bastan los fotones. De acuerdo a cuenta IMDEA Nanociencia en su nota también necesita la colaboración de los fonones, que son las vibraciones de la red cristalina del propio material. Como se ha descubierto, cuando tales vibraciones sincronizadas son escasas, los electrones quedan atrapados temporalmente en defectos de la superficie cerca del borde de la banda de energía.

Lo que nadie esperaba encontrar. El propio Enrique Cánovas, uno de los autores del estudio, reconocer que el descubrimiento fue accidental. «Lo que observamos fue un accidente. Esperábamos una respuesta instantánea, pero en lugar de eso vimos a los electrones tomar un respiro», afirma. Hasta ahora, el cuello de botella de los fonones se conocía en situaciones de alta energía, cuando el silicio se excitaba con electrones muy energéticos.

Este es el primer registro experimental del fenómeno con excitaciones de baja energía, que ocurren con luz infrarroja cercana, o incluso por debajo del umbral de absorción del material. Territorio hasta ahora inexplorado.

Por qué tiene relevancia práctica. El silicio es el corazón de la gran mayoría de paneles solares del mundo. Cualquier ineficiencia en la forma en que los electrones responden a la luz tiene consecuencias directas en el rendimiento de esas células fotovoltaicas. Entender que este retraso transitorio existe, y que tiene una causa identificable, abre la puerta a dos caminos posibles: diseñar materiales o estructuras que minimicen este atasco, o incluso aprovecharlo de forma controlada para mejorar el comportamiento del dispositivo.

Queda por ver si el impacto de este fenómeno es lo suficientemente significativo como para justificar rediseños en la fabricación de células solares y sistemas fotovoltaicos.

Imagen de portada | yue-chan

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