Un nuevo estudio muestra cómo el dopaje afecta las propiedades de carga de un fotocatalizador, allanando potencialmente el camino para una mejor conversión de energía solar

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Durante muchos años, los investigadores se han centrado en desarrollar tecnologías que puedan ayudarnos a luchar contra la inminente crisis del cambio climático. Tienen un objetivo en común: encontrar fuentes de energía sostenibles que puedan reemplazar los combustibles fósiles tóxicos para el medio ambiente. Los “fotocatalizadores” que impulsan un proceso artificial que replica la fotosíntesis (en el que la energía solar se convierte en materiales útiles) son prometedores en este sentido, ya que podemos desarrollar la tecnología necesaria para ellos. Los materiales cristalinos, como el titanato de estroncio (SrTiO3), que pueden actuar como “fotocatalizadores” en los dispositivos solares, pueden llevarnos en esta dirección.

SrTiO3 también es interesante por varias otras razones, como sus aplicaciones potenciales en interruptores resistivos y componentes de celdas de combustible. La naturaleza versátil de SrTiO3 ha motivado a los físicos a estudiar en detalle sus diversas propiedades materiales. Pero para profundizar en las propiedades de SrTiO3, necesitamos entender un poco más.

Los materiales fotocatalíticos como el SrTiO3 suelen estar “dopados” con productos químicos como el niobio (Nb) que ayudan a mejorar sus propiedades eléctricas. Pero un proceso llamado “recombinación de carga” puede ocurrir en fotocatalizadores, lo que dificulta su eficiencia. En este proceso, los portadores de carga móviles presentes en el material, como “electrones” y “huecos”, cuando se exponen a la luz, pueden aniquilarse entre sí. Algunos estudios han demostrado que la recombinación de cargas se ve afectada por la presencia de defectos en los cristales. Entonces, ¿cómo afecta el dopaje con Nb a las propiedades del material de SrTiO3? Esto es exactamente lo que un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nagoya en Japón, dirigido por el profesor Masashi Kato, quería averiguar.

En su estudio publicado en Journal of Physics D: Física aplicada, los investigadores examinaron los efectos del dopaje de Nb de baja concentración, así como del no dopaje, sobre la recombinación de la superficie en los cristales de SrTiO3. El profesor. Kato explica: “La medición cuantitativa de los efectos de las superficies de niobio y las impurezas en SrTiO3 sobre la recombinación de vectores puede ayudarnos a diseñar fotocatalizadores con una estructura óptima para la fotosíntesis artificial”.

Los científicos analizaron primero los patrones de recombinación o “desintegración” de la superficie de muestras de SrTiO3 sin dopar y dopadas con diferentes concentraciones de Nb, utilizando una técnica llamada “desintegración de la fotoconductividad por microondas”. Para sondear aún más las propiedades de recombinación del granelero de las muestras dopadas y los diferentes niveles de energía introducidos por el dopaje con Nb, se utilizó otra técnica llamada “fotoluminiscencia resuelta en el tiempo”.

Los investigadores encontraron que la recombinación de los portadores excitados no dependía de su concentración, lo que indica que se recombinaron mediante procesos de “superficie” y “Shockley-Read-Hall” (que son insensibles a la concentración de portadores excitantes). Además, la muestra dopada mostró curvas de desintegración más rápidas, lo que podría deberse a la introducción de un centro de recombinación por dopaje Nb. El dopaje del material con altas concentraciones de Nb mostró efectos negativos sobre el dopaje del vector. Además, el tamaño del fotocatalizador, y no su forma, afectó a la recombinación de la superficie y, en última instancia, a su eficiencia general.

El estudio concluyó que el SrTiO3 moderadamente dopado con Nb podría ser más beneficioso que el SrTiO3 puro, especialmente cuando se usa a temperaturas de funcionamiento más altas. Estos hallazgos pueden ayudarnos a diseñar fotocatalizadores de SrTiO3 con menor recombinación de superficie y mayor conversión de energía, lo que lleva al desarrollo de fuentes de energía eficientes y sostenibles.

El profesor. Kato concluye con optimismo: “Estamos seguros de que nuestros hallazgos acelerarán el desarrollo de tecnologías de fotosíntesis artificial, contribuyendo en última instancia a una sociedad más verde y sostenible”.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Nagoya. Nota: El contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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