Optimización lumínica en los dispositivos optoelectrónicos

Los puntos cuánticos coloidales (CQD), base de un nuevo campo investigador en rápida expansión, podrían aplicarse en células solares para incrementar su eficiencia y rentabilidad. La utilización de CQD como material de absorción fotovoltaica tiene la ventaja de que su banda prohibida puede ajustarse fácilmente con un simple cambio del tamaño de las nanopartículas, lo que permite absorber distintas partes del espectro solar sin dificultad.

Sin embargo, el espesor de la capa CQD tiene limitaciones, cuyo propósito es mantener una extracción eficiente de la carga, por lo que se requiere que las nuevas estructuras de trampa de luz mejoren la eficiencia y la absorción de luz. Las nanoestructuras de metal plasmónico podrían incrementar la trampa de luz en capas CQD absorbentes ultrafinas.

El proyecto «Plasmonically enhanced colloidal quantum dot photodetectors and photovoltaics» (PECQDPV), financiado con fondos europeos, analizó los efectos ópticos y eléctricos de implantar estructuras fotónicas artificiales en sencillos dispositivos fotoconductores y fotodiodos fabricados a partir de películas CQD a base de sulfuro de plomo (PbS).

Mediante la utilización de dispositivos de prueba fotovoltaicos con conjuntos integrados de nanopartículas metálicas aleatorias autoensambladas con gran capacidad de dispersión de luz, el equipo científico demostró un incremento de 2,4 de la fotocorriente en longitudes de onda alrededor de los picos de excitón de puntos cuánticos PbS de un tamaño determinado.

Además, el equipo estudió los efectos eléctricos de integrar otras nanoestructuras metálicas en estos dispositivos, observando que, en función del metal utilizado, el contacto directo con las nanopartículas mejoraba o anulaba la fotocorriente. Estos hallazgos fueron importantes para diseñar dispositivos optoelectrónicos de CQD plasmónico.

El proyecto también estudió los mecanismos físicos que sustentan la mejora plasmónica, para lo cual el equipo científico realizó simulaciones ópticas de alcance total y desarrolló modelos analíticos simples. En las simulaciones con nanopartículas Ag, la distribución angular de la luz dispersa resultó relativamente reducida, lo que disminuyó su posible utilización como trampa de luz. Los estudios experimentales evidenciaron que la estructura de modo de la película semiconductora fina es fundamental para determinar la cantidad de luz atrapada.

A fin de incrementar la eficiencia de la trampa de luz más allá de las prestaciones ofrecidas por estructuras aleatorias, se investigaron nanoestructuras específicas periódicamente. Los científicos de este proyecto desarrollaron un modelo conceptual para establecer normas de diseño sencillas para una trampa de luz óptima en películas finas mediante acopladores de plataformas bidimensionales, los cuales se integraron en fotodiodos, por ejemplo el contacto trasero Au, y mejoraron las fotocorrientes en factores de hasta tres en el caso de los diodos finos y de uno y medio en el de los diodos gruesos, relativos a los dispositivos de referencia plana de espesores similares.

El proyecto PECQDPV pretendía mejorar la absorción de los dispositivos CQD mediante la incorporación de nanoestructuras plasmónicas. Estos hallazgos permiten comprender mejor las dificultades que entrañan la selección del material plasmónico y los métodos de optimización de la trampa de luz en un dispositivo CQD de geometría concreta.