Un equipo de científicos ha descubierto propiedades cuánticas excéntricas en una clase nueva de materiales híbridos utilizados para la fabricación de semiconductores, conocidos como HOIP. Su estudio podría dar lugar a una amplia gama de innovaciones prácticas en el campo de la iluminación y la energía solar fotovoltaica.

El campo de los semiconductores ha atravesado una revolución que ha cambiado la forma en la que se usa la tecnología en los dispositivos optoelectrónicos. Estos componentes son fundamentales para aplicaciones de pantallas de diodos emisores de luz (utilizadas en televisores, ordenadores y teléfonos móviles) y celdas fotovoltaicas. En un estudio reciente, un grupo científico ha obtenido información nueva sobre una clase emergente de semiconductores híbridos orgánicos-inorgánicos que podrían transformar las aplicaciones de iluminación y recolección de energía.

Respaldado en parte por el proyecto financiado con fondos europeos QUANTUM LOOP la investigación estudió un tipo de semiconductores denominados HOIP (perovskita orgánica-inorgánica de haluro). Los hallazgos se publicaron recientemente en la revista «Nature Materials». Según una nota de prensa publicada por el Instituto de Tecnología de Georgia los HOIP son eficientes desde el punto de vista energético y «fáciles de producir y emplear».

En la misma nota, el profesor Carlos Silva de la Escuela de Química y Bioquímica del Instituto de Tecnología de Georgia señala las ventajas de los HOIP e indica que «se fabrican a baja temperatura y se procesan en una solución». Y añadió: «Se necesita mucha menos energía para fabricarlos y se pueden crear en lotes grandes». En la nota de prensa se indica además lo siguiente: «Es necesario alcanzar temperaturas altas para fabricar la mayoría de los semiconductores en pequeñas cantidades y son rígidos a la hora de colocarlos sobre las superficies finales, pero los HOIP podrían pintarse para fabricar diodos emisores de luz (leds), láseres e incluso vidrios de ventanas que brillasen en cualquier color, desde el azul aguamarina al fucsia. Iluminar con HOIP podría consumir poca energía, y por tanto los fabricantes de paneles solares podrían aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos y reducir drásticamente los costes de producción». En la noticia se hace referencia a HOIP como «un sándwich de dos capas de cristal reticulado inorgánico con algo de material orgánico entre ellas».

Procesos emisores de luz

Los semiconductores que se incluyen en los dispositivos optoelectrónicos convierten la energía eléctrica en luz y la luz en energía. Los investigadores se centraron en los procesos relacionados con la generación de luz. «La clave para que un material emita luz es, en términos generales, energizar los electrones del material para que den un salto cuántico desde sus órbitas alrededor de los átomos y emitan esa energía en forma de luz cuando vuelvan a la órbita que habían abandonado».

En sus propias palabras: «Los semiconductores tradicionales pueden atrapar electrones en zonas del material que limitan estrictamente el rango de movimiento de los electrones y a continuación introducen energía en dichas zonas para que los electrones den saltos cuánticos al unísono y emitan luz útil cuando vuelven también al unísono». En el caso de los nuevos semiconductores híbridos, «las propiedades excitónicas son muy estables a temperatura ambiente», a diferencia de los semiconductores tradicionales en los que estas propiedades «son solo estables a temperaturas extremadamente bajas» según el profesor Silva.

En la nota de prensa lo explican de la siguiente manera: «Un electrón posee una carga negativa, y una órbita abandonada tras haber sido excitado mediante energía es una carga positiva denominada agujero de electrón. El electrón y el agujero pueden girar uno en torno al otro para formar un tipo de partícula imaginaria o cuasipartícula denominada excitón». El profesor Silva incide en que la energía de unión, o la atracción entre positivo y negativo en un excitón, «es un fenómeno de energía muy alta ideal para la emisión de luz». En la nota de prensa también se resumen las dinámicas que dan lugar a la formación de otras cuasipartículas como los biexcitones y los polarones.

El proyecto QUANTUM LOOP (Quantum Light Spectroscopy of Polariton Lasers) se creó para «desarrollar la base de conocimiento fotofísica fundamental a través de nuevos espectroscopios ópticos» tal y como se indica en CORDIS. El proyecto adopta «una estrategia a largo plazo para crear láseres de polaritón viables comercialmente compuestos por perovskita».