Un nuevo método óptico distingue los portadores energéticos en materiales para células solares del futuro

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) demuestra que es posible determinar, de forma sencilla y de bajo coste, qué proporción de portadores libres se genera en un material semiconductor cuando absorbe luz. El avance, publicado en The Journal of Physical Chemistry Letters, permite extraer esta información directamente a partir de medidas de fotoluminiscencia dependientes de la potencia.

El trabajo ha sido realizado por Antonella Cutrupi, Marc Meléndez, Raquel Utrera-Melero, Michel Frising, Enrique Arévalo Rodríguez y Upasana Das, bajo la dirección del investigador Ferry Prins, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

El método fue validado en perovskitas bidimensionales de Ruddlesden–Popper con distinto número de capas, y los resultados obtenidos coinciden con los de técnicas mucho más complejas y costosas.

Excitones o cargas libres

Para diseñar dispositivos optoelectrónicos eficientes es fundamental saber qué ocurre en un material después de absorber luz. Hay semiconductores que absorben luz y pueden transformarla en excitones: pares formados por un electrón y un hueco que permanecen unidos por atracción eléctrica y que se recombinan eficientemente emitiendo luz. Este comportamiento es especialmente útil para tecnologías como los LED o los láseres.

Hay otros en los que, la luz genera cargas libres, capaces de desplazarse por el material y ser recogidas por los electrodos. Estas cargas son esenciales en dispositivos como las células solares, donde el objetivo es transformar la luz en corriente eléctrica.

Disponer de una técnica rápida, accesible y de bajo coste para distinguir entre ambos procesos puede contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías de energía, iluminación y comunicaciones.

Una proporción que cambia con la luz

El nuevo método supera una limitación importante de los análisis convencionales. La proporción entre excitones y cargas libres no es fija, sino que varía en función de la cantidad de luz que ilumina el material. Sin embargo, muchos métodos clásicos no tienen en cuenta esta dependencia, lo que puede conducir a interpretaciones incorrectas sobre el comportamiento del material en condiciones reales de funcionamiento.

El enfoque de este trabajo de investigación incorpora explícitamente esta dependencia con la intensidad de iluminación, lo que permite extrapolar el comportamiento del material desde las condiciones del laboratorio hasta las condiciones más próximas a las de uso, como la iluminación solar.

“Cuando se estudian las placas solares, a menudo se utiliza un láser de alta potencia porque resulta más sencilla la medida. Nuestro trabajo demuestra que hay que tener cuidado de no concluir demasiado de estos estudios de alta potencia, ya que, bajo la luz del sol, el material puede comportarse de manera muy diferente”, explica Antonella Cutrupi.

Medir cómo responde el material

La técnica consiste en iluminar el material con pulsos de láser de distinta intensidad y registrar cómo cambia la luz que emite. Si la emisión aumenta de forma proporcional a la potencia del láser, esto indica que los portadores se recombinan de manera individual, como ocurre con los excitones.

En cambio, si crece más rápido que la potencia del láser, revela que los electrones y huecos libres tienen que encontrarse antes de poder recombinarse, y cuanto mayor es su concentración, más probable es que ese encuentro ocurra.

Este trabajo va más allá del análisis clásico: el equipo utiliza la ecuación de Saha, una herramienta procedente de la física de plasmas, para modelizar cuántos excitones y cuántos portadores libres conviven en el material en función de la intensidad de la luz. Al ajustar los datos experimentales a este modelo, se puede extraer directamente la fracción de portadores libres.

Las medidas se realizaron a temperatura ambiente mediante un sistema de conteo de fotones individuales en el tiempo, conocido como TCSPC, con un láser pulsado y una rueda de filtros motorizados para variar automáticamente la potencia.

El punto clave fue utilizar la intensidad máxima de emisión al inicio de cada pulso, ya que refleja fielmente la densidad de portadores en ese instante. Este enfoque evita las distorsiones que introducen las medidas integradas en el tiempo, donde excitones y portadores libres contribuyen de forma diferente y en proporciones que cambian a lo largo del propio pulso.

Perovskitas como banco de pruebas

Las perovskitas de Ruddlesden–Popper son materiales híbridos orgánico-inorgánicos que en los últimos años han despertado un gran interés como candidatos para la próxima generación de células solares y LED. Su estructura está formada por capas de plomo y yodo apiladas y separadas por moléculas orgánicas largas.

Al modificar el espesor de las capas inorgánicas, estos materiales pueden pasar de un régimen dominado por excitones (capa fina) a otro dominado por portadores libres (capa espesa), con situaciones intermedias entre ambos extremos. Por esta razón, constituyen un banco de pruebas ideal para estudiar la transición entre los dos regímenes.

En términos sencillos, un excitón puede imaginarse como dos personas que se atraen y se quedan juntas en mitad de una multitud: el electrón y el hueco están ligados y al recombinarse emiten un fotón de luz. Un portador libre, en cambio, es como alguien que deambula solo por esa multitud sin estar ligado a nadie: puede desplazarse hacia un electrodo y generar corriente eléctrica. En muchos nanomateriales reales conviven ambas situaciones. 

La proporción entre excitones y portadores libres no depende solo de la composición del material, sino también de la intensidad de la luz que recibe: a mayor intensidad, más excitones tienden a disociarse en cargas libres, igual que el calor tiende a separar parejas que de otro modo permanecerían unidas.

Mapas locales del material

Una ventaja adicional del método es que puede integrarse en un microscopio de fotoluminiscencia para elaborar mapas del material punto a punto, con una resolución de pocos micrómetros.

Gracias a esta capacidad, el equipo confirmó que los bordes de los cristales de perovskita presentan sistemáticamente una mayor proporción de portadores libres que el interior. Esto indica que los bordes actúan como zonas donde los excitones se disocian con más facilidad.

Conocer estas variaciones locales es crucial para entender cómo los defectos, los bordes y la microestructura del material influyen en el rendimiento final de un dispositivo optoelectrónico.

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Referencia bibliográfica:

Cutrupi, A., Meléndez, M., Utrera-Melero, R., Frising, M., Arévalo Rodríguez, E., Das, U., & Prins, F. (2026). Determining the free-carrier fraction in 2D perovskites using power dependent photoluminescence. The Journal of Physical Chemistry Letters. Advance online publication https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6c01131

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