Estudo explora tunelamento e coleta de elétrons quentes para aumentar a eficiência

Células solares portadoras quentes, um conceito introduzido há várias décadas, há muito tempo são vistas como um potencial avanço na tecnologia de energia solar. Essas células podem superar o limite de eficiência Shockley–Queisser, que é uma eficiência máxima teórica para células solares de junção única. Apesar de sua promessa, a implementação prática tem enfrentado desafios significativos, particularmente no gerenciamento da rápida extração de elétrons quentes através de interfaces de materiais.

Pesquisas recentes têm se concentrado no uso de vales satélites na banda de condução para armazenar temporariamente elétrons quentes antes da coleta. No entanto, experimentos revelaram uma barreira parasitária na interface heteroestrutural entre as camadas absorvedora e de extração. Essa barreira complica o processo de transferência, que ocorre no espaço real em vez do espaço de momento. Quando as bandas de energia dos dois materiais não estão perfeitamente alinhadas, os elétrons podem contornar essa barreira por meio de tunelamento, um processo influenciado por estruturas de banda complexas.

Em um novo estudo publicado na Revista de Fotônica para Energia pesquisadores examinaram esses estados evanescentes e seu impacto no tunelamento de elétrons usando um método pseudopotencial empírico. Essa abordagem calcula bandas de energia no espaço de momento e as alinha com dados experimentais em pontos críticos, fornecendo insights sobre a física que permite a extração de portadora quente entre estados de vale de portadora e entre heterointerfaces.

As descobertas fornecem uma compreensão mais profunda do processo de tunelamento e podem abrir caminho para células solares de transporte quente mais eficientes, nos aproximando da quebra dos limites de eficiência da tecnologia solar atual.

Especificamente, o estudo mostrou que o coeficiente de tunelamento, que mede a facilidade com que os elétrons podem se mover através da barreira, é exponencialmente grande em estruturas de índio-alumínio-arseneto (InAlAs) e índio-gálio-arseneto (InGaAs) devido à incompatibilidade nas bandas de energia desses dois materiais. Esse problema é agravado até mesmo por uma leve rugosidade na interface, com apenas alguns átomos de espessura, o que dificulta severamente a transferência de elétrons. Essas descobertas se alinham com observações de baixo desempenho em dispositivos experimentais usando esse sistema de material.

Curiosamente, a situação melhora significativamente dentro de um sistema que compreende materiais de AlGaAs e arsenieto de gálio (GaAs) em que a composição de alumínio na barreira cria uma degeneração nos vales de satélite de energia mais baixa. Tal sistema se beneficia de um melhor alinhamento das bandas de energia e da capacidade de crescer com precisão atômica.

Por exemplo, o coeficiente de tunelamento para transferência de elétrons entre AlGaAs e GaAs pode ser tão alto quanto 0,5 ou mesmo 0,88, dependendo da composição específica de AlGaAs usada. Isso sugere um processo de transferência muito mais eficiente e o potencial para aproveitar a energia fotovoltaica de vale e realizar células solares além dos limites atuais de banda única

Em transistores de alta mobilidade eletrônica feitos de AlGaAs/GaAs, os elétrons normalmente se movem de AlGaAs para GaAs. No entanto, portadores quentes em GaAs podem ganhar energia suficiente para transferir de volta para AlGaAs, um processo conhecido como transferência de espaço real. Embora isso seja geralmente indesejável em transistores, é benéfico para fotovoltaicos de vale, onde a transferência e o armazenamento eficientes de portadores quentes são cruciais.