Un destello de luz que dure una fracción de milisegundo podría ayudar a crear mejores materiales para la energía solar. El método podría ayudar a mejorar las tecnologías solares y otros dispositivos electrónicos avanzados.
Los investigadores han desarrollado una forma de utilizar destellos de luz extremadamente cortos para controlar la estructura interna de los materiales semiconductores, mejorando potencialmente las tecnologías utilizadas para convertir la energía solar en electricidad.
En el proceso, el equipo calentó un recubrimiento a casi 2.000° Celsius mientras que la lámina de vidrio que lo soportaba, conocida como sustrato, se mantenía por debajo de los 100°, una combinación que el calentamiento convencional no puede lograr. Ni el vidrio ni su recubrimiento conductor toleran temperaturas mucho superiores a 500 a 600 grados Celsius, por lo que se ha considerado inalcanzable el procesamiento a altas temperaturas en estas superficies.
El estudio fue dirigido por Shahar Artzi y el Dr. Ronen Gottesman, del Instituto de Química y del Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea.
Muchos materiales pueden existir en más de una forma cristalina (conocidos como polimorfos), aunque tengan la misma composición química. Estas estructuras pueden tener propiedades muy diferentes, pero las formas más útiles suelen ser inestables y difíciles de conservar. El diamante y el grafito son el ejemplo clásico: ambos son carbono puro, y solo la disposición de los átomos difiere. En materiales electrónicos, la disposición más deseable suele ser la que solo sobrevive a altas temperaturas y que se revierte cuando el material se deja enfriar lentamente.
Preservarla ha sido bloqueada por dos obstáculos. Un horno calienta el recubrimiento y la superficie debajo de él juntos, de modo que el vidrio y su capa conductora alcanzan su límite mucho antes de que la película superior alcance la temperatura necesaria. Y un horno se enfría lentamente, dando tiempo suficiente a los átomos para volver a su disposición habitual durante el descenso.
Los investigadores utilizaron una técnica llamada calentamiento fotónico por flash, que expone finas películas de óxido de bismuto a potentes pulsos de luz blanca, en efecto el mismo principio que un flash fotográfico, pero mucho más intenso y con mayor precisión sincronizada.
Los pulsos duran entre aproximadamente una décima de milisegundo y unos pocos milisegundos, y la película absorbe la luz directamente, calentándose y enfriándose mucho más rápido de lo que el cristal que hay debajo puede seguir. Al cambiar la duración e intensidad de los destellos, el equipo podía elegir entre los dos polimorfos del material.
“La idea es calentar y enfriar el material tan rápido que podamos atraparlo en una estructura cristalina que normalmente desaparecería”, dijo Gottesman. “Esto nos permite acceder a propiedades útiles que los métodos convencionales de calefacción no pueden preservar fácilmente”.
De forma llamativa, la cantidad total de energía entregada no fue lo que decidió el resultado. Dos pulsos que transportaban energía idéntica producían dos materiales diferentes, dependiendo únicamente de la rapidez con la que llegaba esa energía.
Los pulsos más largos producían la fase alfa estable, mientras que los pulsos más cortos y potentes atrapaban la fase beta, menos estable, a temperatura ambiente. La transformación era visible, con el material cambiando de gris pálido a amarillo brillante.
La fase beta absorbía un rango más amplio de luz visible, capturando la luz que la forma alfa estable simplemente deja pasar, y producía entre 10 y 50 veces más de fotocorriente, la corriente eléctrica generada por la luz, dependiendo de cómo se preparara la película. Los investigadores relacionaron esta mejora con un movimiento más eficiente de cargas eléctricas a través del material.
“Lo especialmente prometedor es que no vamos a cambiar la composición química del material”, añadió Gottesman. “Controlamos cómo están dispuestos sus átomos, y ese cambio estructural conduce a una mejora importante en su respuesta a la luz. La analogía cotidiana más cercana es el truco del herrero de templar el acero: si lo enfrías lo suficientemente rápido, la estructura no tiene tiempo para relajarse y volver a lo que preferiría ser. Estamos haciendo lo mismo con la luz, en una escala de milisegundos, y lo hacemos sobre vidrio conductor transparente, el mismo tipo de superficie detrás de una pantalla táctil”.
El equipo también pudo cambiar el material repetidamente entre las dos fases, alternándolo de una forma a otra y viceversa. Según los investigadores, un interruptor reversible de este tipo, realizado directamente sobre el vidrio conductor recubierto usado en dispositivos reales, no se había demostrado previamente.
Aunque el estudio se centró en el óxido de bismuto, los investigadores afirman que el método podría aplicarse potencialmente a otros materiales utilizados en la conversión de energía solar, la fotocatálisis y dispositivos electrónicos avanzados. El equipo está examinando si el mismo enfoque puede extenderse a sustratos plásticos y flexibles, cuya tolerancia al calor es aún menor.
Financiación
El estudio contó con el apoyo del Ministerio de Energía e Infraestructuras de Israel, el Ministerio de Innovación, Ciencia y Tecnología de Israel, y la Fundación de Ciencia de Israel.
El Dr. Gottesman fue becario Azrieli durante esta investigación, apoyado por la Fundación Azrieli a través del Programa de Becas Azrieli.
La investigación de máster de Shahar Artzi se lleva a cabo dentro de un programa del Ministerio de Energía e Infraestructuras de Israel.
El trabajo de investigación “Kinetic control of crystal polymorphism via flash photonic heating: Reversible α ↔ β-Bi₂O₃ phase cycling in thin-film photoelectrodes”, ya está disponible en Small Structures.
Autores:
Shahar Artzi1,2,3, Shlomit Rosenbaum1,2,3, Shahar Metzuyanim1,2,3, Janan Rabayah1,2,3, Tom Naor1,3, Boris Benjaminov1,3, Igal Levine1,3, Ronen Gottesman1,2,3.
Filiaciones:
1) Instituto de Química, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Centro Casali de Química Aplicada, Universidad Hebrea de Jerusalem.
3) Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
