Investigadores del IMDEA Nanociencia revelan cómo los electrones fotoexcitados quedan temporalmente atrapados en uno de los materiales más importantes del mundo para la captación de energía solar
Cuando la luz incide sobre el silicio, excita los electrones, lo que les permite moverse libremente y generar corriente eléctrica. A diferencia de otros materiales, el silicio no solo necesita fotones para desencadenar este proceso, sino que también requiere la ayuda de fonones (vibraciones de la red cristalina). Comprender exactamente la rapidez y eficiencia con la que se produce este proceso es fundamental para mejorar los dispositivos optoelectrónicos basados en silicio. Sin embargo, incluso en un material tan estudiado como el silicio, algunos de los procesos ultrarrápidos que controlan el flujo de energía a nivel microscópico pueden seguir siendo desconocidos.
En un nuevo estudio, investigadores de los institutos IMDEA Nanociencia y MPIP utilizan espectroscopia terahercio resuelta en el tiempo para observar cómo se comportan los electrones inmediatamente después de que el silicio sea excitado con luz. Para sondear la fotogeneración de portadores de carga en toda la muestra, excitaron el silicio utilizando fotones infrarrojos cercanos al intervalo de banda (es decir, el borde de absorción). Inesperadamente, en lugar de un aumento inmediato de la conductividad eléctrica, como predice la teoría estándar, observaron una respuesta retardada que duró unos pocos picosegundos. Un análisis detallado reveló que una gran parte de los electrones quedaron atrapados temporalmente en estados de defectos superficiales cerca del borde de la banda antes de ser liberados a la banda de conducción mediante la absorción de fonones.
"Lo que observamos fue un accidente", afirma Enrique Cánovas. "Esperábamos una respuesta instantánea, pero en su lugar vimos que los electrones se tomaban un respiro". Los investigadores identificaron la causa como un cuello de botella de fonones: una escasez temporal de vibraciones reticulares (fonones) necesarias para que los electrones escaparan de estas trampas poco profundas. Aunque los cuellos de botella de fonones son bien conocidos cuando se excita el silicio con electrones de alta energía, esta es la primera prueba experimental de que el efecto también puede producirse con excitaciones de baja energía generadas cerca —o incluso por debajo— de la banda prohibida. Este descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre cómo se fotogeneran los electrones en el silicio y podría tener implicaciones en la eficiencia con la que los materiales absorben la luz en los dispositivos fotovoltaicos reales.
El estudio ha sido publicado en Physical Review B y es el resultado de una colaboración entre investigadores del Instituto de Madrid de Estudios Avanzados en Nanociencia (España) y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania), y está parcialmente financiado por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S). Los hallazgos plantean nuevas preguntas sobre cómo interactúa la luz infrarroja de baja energía con el silicio y si este cuello de botella transitorio podría aprovecharse —o mitigarse— para optimizar aún más el rendimiento de las células solares.
Referencia bibliográfica:
Sergio Revuelta, Hai I. Wang, Mischa Bonn, and Enrique Cánovas. Observation of a phonon bottleneck effect on the thermal depopulation from a photoexcited shallow defect in silicon. Phys. Rev. B 112, 184315 (2025). DOI 10.1103/5mpm-zc9s
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