Cuando la luz incide sobre el silicio, excita los electrones, lo que les permite moverse libremente y generar corriente eléctrica. A diferencia de otros materiales, el silicio no solo necesita fotones para desencadenar este proceso, sino que también requiere la ayuda de fonones (vibraciones de la red cristalina). Sin embargo, incluso en un material tan estudiado como el silicio, algunos de los procesos ultrarrápidos que controlan el flujo de energía a nivel microscópico pueden seguir siendo desconocidos.
En un estudio conjunto, investigadores de los dos centros han utilizado una técnica avanzada basada en pulsos de radiación electromagnética ultracortos para observar cómo se comportan los electrones inmediatamente después de que el silicio sea excitado con luz. Para ello, excitaron el silicio utilizando fotones infrarrojos cercanos al intervalo de banda (es decir, el borde de absorción) y comprobaron que, inesperadamente, en lugar de un aumento inmediato de la conductividad eléctrica –como predice la teoría estándar– se producía una respuesta retardada que duró unos pocos picosegundos.
Un análisis detallado reveló que una gran parte de los electrones quedaron atrapados temporalmente en estados de defectos superficiales cerca del borde de la banda antes de ser liberados a la banda de conducción mediante la absorción de fonones.
"Lo que observamos fue un accidente", explica Enrique Cánovas, de IMDEA Nanociencia. "Esperábamos una respuesta instantánea, pero en su lugar vimos que los electrones se tomaban un respiro". Los investigadores identificaron la causa como un cuello de botella de fonones: una escasez temporal de las vibraciones reticulares necesarias para que los electrones escaparan de estas trampas poco profundas.
Aunque los cuellos de botella de fonones son bien conocidos cuando se excita el silicio con electrones de alta energía, esta es la primera prueba experimental de que el efecto también puede producirse con excitaciones de baja energía generadas cerca —o incluso por debajo— de la banda prohibida. Este descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre cómo se fotogeneran los electrones en el silicio y podría ayudar a optimizar aún más el rendimiento de las células solares.
El estudio ha sido publicado en Physical Review B y está parcialmente financiado por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia.
