Nuevo dispositivo híbrido actúa como celda solar y batería

Investigadores en China y Singapur han desarrollado un sistema fotoeléctrico que convierte la luz en carga y luego almacena la carga como una batería, el primero para un solo dispositivo.

Fabricado con capas de un semiconductor 2D y un conductor transparente unidos por interacciones débiles de van der Waals, el nuevo dispositivo convierte el 93,8 % de los fotones incidentes en corriente eléctrica, mucho más que el 50 % típico de los llamados dispositivos fotoeléctricos de “alto rendimiento“, y puede almacenar carga hasta por una semana, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en generación de energía, fotodetectores o memoria basada en luz.

Las heterouniones de Van der Waals (vdW) como la que se usa aquí son una característica común en dispositivos como células fotovoltaicas y fotodetectores.

A menudo hechos de uniones p-n, funcionan absorbiendo fotones que luego crean pares electrón-hueco.

El siguiente paso es separar los electrones de los huecos, lo que normalmente se hace aplicando un voltaje.

El problema es que estos portadores de carga se recombinan rápidamente, acortando su vida útil y, por lo tanto, limitando la eficiencia cuántica externa (EQE) del dispositivo.

Una forma de superar este efecto es atrapar temporalmente a los portadores (por ejemplo, en los defectos del cristal) antes de que se produzca la recombinación.

Un equipo de investigadores dirigido por Yucheng Jiang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Suzhou en China y Cheng-Wei Qiu de la Universidad Nacional de Singapur decidió utilizar esta estrategia en una heterounión vdW pn hecha de seleniuro de tungsteno (WSe₂) y óxido de titanio estroncio o STO como se le conoce comúnmente.

El equipo descubrió que cuando excitaron su dispositivo con luz láser azul y luego lo almacenaron en la oscuridad a una temperatura de 30 K, los portadores de carga fotogenerados persistieron durante siete días.

También descubrieron que podían extraer una corriente de hasta 2,9 mA cuando conectaban el dispositivo a un circuito.

Los investigadores atribuyen este efecto inesperado a un tratamiento especial que produjo un “gas de electrones” casi bidimensional en la superficie del STO, en el que los electrones pueden moverse libre e independientemente.

Los investigadores llamaron a este nuevo efecto “fotoconductividad cargable” y dicen que es completamente diferente a los fenómenos fotoeléctricos observados anteriormente.

El dispositivo que fabricaron no solo crea fotoportadores bajo iluminación óptica, sino que también los almacena en la llamada región de “carga espacial” de la película WSe₂, que yuxtapone la interfaz con el cristal STO.

Aquí, explican, los agujeros inducidos por la luz pueden acumularse y retenerse hasta que un voltaje aplicado lo suficientemente grande los atraiga a un circuito.

Durante este proceso, los pares electrón-hueco se recombinan y el dispositivo vuelve al estado aislante.

Luego se puede cargar de nuevo alumbrando sobre él.

Aunque el EQE del dispositivo es mucho más alto que el de otros dispositivos fotoeléctricos de alto rendimiento, Jiang y sus colegas señalan que solo logra esta eficiencia a temperaturas de alrededor de 30 K, que son necesarias para mantener estable la carga almacenada.

Esta baja temperatura de funcionamiento limitará las aplicaciones del dispositivo, aunque los investigadores creen que la temperatura de funcionamiento podría aumentar empleando materiales distintos de WSe2 y STO.

Fuente: Physical Review Letters