En los modelos de paneles solares existentes, sus células fotovoltáicas pueden generar como máximo un electrón a partir de un fotón. En el prototipo de fotodetector desarrollado por los investigadores de la Universidad de California, un fotón puede generar dos electrones o más a través de un proceso llamado multiplicación de electrones. Este avance podría revolucionar la forma en que se recoge la energía solar.
Los fotodetectores son casi omnipresentes y se encuentran en cámaras, teléfonos, mandos a distancia, células solares e incluso los paneles de los transbordadores espaciales. Miden apenas micrones pero estos pequeños dispositivos convierten la luz en electrones, cuyo movimiento posterior genera una señal electrónica. El aumento de la eficiencia de la conversión de luz a electricidad ha sido uno de los principales objetivos en la construcción de fotodetectores desde su invención.
Electrones y nivel de energía
Dentro de los átomos, los electrones viven en estados que determinan su nivel de energía. Cuando los electrones se mueven de un estado a otro, adquieren o pierden energía. Por encima de un cierto nivel de energía, los electrones pueden moverse libremente. Un electrón que se mueve en un estado de energía inferior puede transferir suficiente energía para derribar otro electrón.
Los investigadores explicaron que en los materiales ultradelgados, los electrones se comportan como ondas.
Aunque no es intuitivo a grandes escalas, el proceso de generar dos electrones de un fotón es perfectamente permisible a escalas de longitud extremadamente pequeñas. Cuando un material, como WSe 2 o MoSe 2 , se adelgaza a dimensiones cercanas a la longitud de onda del electrón, las propiedades del material comienzan a cambiar de manera inexplicable, impredecible y misteriosa.
Los investigadores del laboratorio apilaron dos capas atómicas de diselenuro de tungsteno (WSe 2 ) sobre una única capa atómica de diselenuro de molibdeno (MoSe 2 ), combinando dos materiales inorgánicos distintos y produciendo procesos mecánicos cuánticos. Este apilamiento resulta en propiedades muy diferentes de las de las capas originales, permitiendo la ingeniería electrónica personalizada a la escala más pequeña posible.
La imagen muestra un diagrama de energía del dispositivo WSe2-MoSe2. Cuando un fotón (1) golpea la capa de WSe2, suelta un electrón (2), liberándolo para conducirlo a través del WSe2 (3). En la unión entre los dos materiales, el electrón cae en MoSe2 (4). La energía emitida catapulta un segundo electrón de la WSe2 (5) en el MoSe2 (6), donde ambos electrones son libres de moverse y generar electricidad. Crédito: UCR
Los científicos observaron una duplicación de electrones en el dispositivo a 340 grados Kelvin (150° F/ 66,8° C), que está ligeramente por encima de temperatura ambiente. Pocos materiales muestran ese fenómeno alrededor de la temperatura ambiente. A medida que aumentara esa temperatura, deberían ver más de una duplicación de electrones, explicaron.
La multiplicación de electrones en dispositivos de fotocélulas convencionales requiere típicamente tensiones aplicadas de 10-100 voltios. Para observar la duplicación de electrones , los investigadores utilizaron sólo 1,2 voltios, el voltaje normal suministrado por una batería AA. Tal operación de bajo voltaje, y por lo tanto bajo consumo de energía, puede anunciar una dirección revolucionaria en fotodetector y diseño de material de célula solar.
Fuente: UCR
