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Semiconduttori di prossima generazione destinati a rivoluzionare fotovoltaico e illuminazione

Un team di scienziati ha svelato le originali proprietà quantistiche di una nuova classe di materiali ibridi. Il loro studio potrebbe aprire la strada a un’ampia gamma di nuove applicazioni dei dispositivi.

Energia

Il settore dei semiconduttori ha subito una rivoluzione, che ha cambiato il modo in cui questa tecnologia viene utilizzata in vari dispositivi optoelettronici. Essi sono dei componenti fondamentali per applicazioni nei display a diodi a emissione luminosa (in televisioni, computer, telefoni cellulari) e nelle celle solari. In un recente studio, alcuni ricercatori hanno offerto nuove intuizioni sulla emergente classe di semiconduttori ibridi organici-inorganici che potrebbe trasformare l’illuminazione e il recupero dell’energia. Parzialmente supportati dal progetto QUANTUM LOOP, finanziato dall’UE, gli scienziati hanno esaminato una classe di semiconduttori chiamati perovskiti a base di alogenuri organici-inorganici (HOIP, halide organic-inorganic perovskite). I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Materials». Secondo un comunicato stampa del Georgia Institute of Technology, le HOIP sono efficienti sul piano energetico e «facili da produrre e applicare». Nello stesso comunicato stampa, il prof. Carlos Silva della facoltà di chimica e biochimica della Georgia Tech sottolinea i vantaggi delle HOIP, affermando che «sono fatte usando temperature basse e sono trattate in soluzione». E aggiunge: «Per farle si impiega molta energia in meno, e se ne possono produrre grandi lotti». Il comunicato stampa prosegue nella spiegazione: «Sono necessarie alte temperature per produrre la maggior parte dei semiconduttori in piccole quantità, ed essi sono rigidi da applicare sulle superfici, ma le HOIP potrebbero essere applicate come una vernice per fabbricare LED, laser o persino vetri per finestre in grado di risplendere in un qualsiasi colore, dall’acquamarina al fucsia. L’illuminazione con le HOIP potrebbe richiedere pochissima energia, e i produttori di pannelli solari potrebbero incrementare l’efficienza del fotovoltaico e tagliare i costi di produzione». La notizia descrive le HOIP come «un sandwich formato da due strati di reticolo cristallino inorganico con del materiale organico nel mezzo». Processi per l’emissione di luce I semiconduttori nei dispositivi optoelettronici convertono l’energia elettrica in luce e la luce in energia. I ricercatori si sono concentrati sui processi coinvolti nella generazione di luce. «Il trucco per fare in modo che un materiale emetta luce è, in generale, quello di applicare energia agli elettroni nel materiale in modo che effettuino un salto quantico verso l’alto dalle loro orbite e che poi emettano quell’energia come luce quando saltano nuovamente in basso, verso le orbite che avevano lasciato libere». Afferma che: «I semiconduttori consolidati sono in grado di intrappolare gli elettroni in aree del materiale che limitano rigidamente l’ampiezza di movimento degli elettroni, e poi applicano energia a quelle aree in modo che gli elettroni effettuino dei salti quantici all’unisono per emettere della luce utile quando saltano nuovamente verso il basso all’unisono». Nel caso dei nuovi semiconduttori ibridi le «proprietà eccitoniche sono molto stabili a temperatura ambiente», a differenza dei semiconduttori tradizionali in cui queste proprietà «sono stabili solo a temperature estremamente basse», secondo il prof. Silva. Il comunicato stampa spiega: «Un elettrone ha una carica negativa, e un’orbita che esso lascia libera dopo essere stato eccitato dall’energia è una carica positiva chiamata lacuna elettronica. L’elettrone e la lacuna possono ruotare l’uno attorno all’altro formando una sorta di particella immaginaria, o quasiparticella, chiamata eccitone». Il prof. Silva sottolinea che l’energia legante, o l’attrazione positivo-negativo in un eccitone, è «un fenomeno a energia molto alta, che lo rende ideale per l’emissione di luce». Il comunicato stampa riassume inoltre le dinamiche che portano alla formazione di altre quasiparticelle, bieccitoni e polaroni. Il progetto QUANTUM LOOP (Quantum Light Spectroscopy of Polariton Lasers) aveva l’obiettivo di «sviluppare l’essenziale base di conoscenze foto-fisiche mediante innovative spettroscopie ottiche», come dichiarato su CORDIS. Il progetto ha «una prospettiva a lungo termine relativa alla creazione di laser a polaritoni sostenibili dal punto di vista industriale che contengono perovskiti». Per maggiori informazioni, consultare: progetto QUANTUM LOOP

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Italia

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