Twee voor de prijs van één: 'bonuselektronen' in germanium nanokristallen kunnen leiden tot betere zonnecellen
Onderzoekers van het Institute of Physics van de UvA, de Stichting FOM, de TU Delft en de Universiteit van de Algarve hebben ontdekt dat germanium nanokristallen onder de invloed van licht 'bonuselektronen' opleveren. Deze extra elektronen kunnen de opbrengst van zonnecellen vergroten, of de gevoeligheid van lichtsensoren verbeteren. De onderzoekers publiceren hun werk vandaag in Light: Science & Applications.
In nanokristallen kan de absorptie van een enkel foton leiden tot meerdere aangeslagen elektronen: twee voor de prijs van één! Dit fenomeen, ladingsvermenigvuldiging, was al bekend bij silicium nanokristallen. Silicium is het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. De onderzoekers hebben nu gezien dat ladingsvermenigvuldiging ook plaatsvindt in germanium nanokristallen, waarbij de efficiëntie gemakkelijker te verbeteren is dan bij silicium nanokristallen. De ontdekking kan daardoor leiden tot betere zonnecellen.
Halfgeleiderfysica
Germanium en silicium zijn voorbeelden van halfgeleiders: materialen met een energie-bandgap, ofwel bandkloof. Wanneer deze materialen licht absorberen kunnen elektronen van de band onder de energie-gap (valentieband) naar de band boven de gap (geleidingsband) springen. Deze aangeslagen, ‘hete’ elektronen en de gaten die ze achterlaten vormen een elektrische stroom. Ze zijn de basisbrandstof van een zonnecel.
Nanokristallen en ladingsvermenigvuldiging
Als een geabsorbeerd foton meer energie bevat dan nodig is om een elektron
over de bandgap te laten springen, kan het overschot aan energie een tweede
elektron aanslaan. Uit eerder onderzoek bleek dat een bandgap-energie tussen de
0,6 en 1,0 elektronvolt ideaal is om deze ladingvermenigvuldiging tot stand te
brengen.
Nanokristallen zijn extreem klein, zo’n duizend maal kleiner dan de dikte van
een menselijke haar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de
kristallen enorm af van die van bulkmateriaal. De bandgap-energie is direct
afhankelijk van de kristalgrootte. Bulk germanium heeft een bandgap-energie van
0,67 elektronvolt. Door de grootte van de germanium nanokristallen aan te
passen, konden de onderzoekers deze waarde bijstellen naar energieën tussen 0,6
en 1,4 elektronvolt – binnen de ideale marges voor ladingsvermenigvuldiging,
ofwel het aantal ‘bonuselektronen'.
Het experiment
Om ladingsvermenigvuldiging in nanokristallen te onderzoeken, gebruikten de
onderzoekers een optische techniek die pump-probe spectroscopie heet.
Een eerste laserpuls, de pump, zendt fotonen uit die het nanokristal
aanslaan door één elektron in de geleidingsband te brengen. Een tweede puls van
fotonen, de probe, kan dan door dit elektron geabsorbeerd worden.
De onderzoekers ontdekten dat als de energie van de pump-foton tweemaal
zo groot is als de bandgap-energie van de germanium nanokristallen, het
probe-licht geabsorbeerd wordt door twee elektronen in plaats van door
een. Dit effect is de welbekende vingerafdruk van landingsvermenigvuldiging. Met
andere woorden, als de pump-foton voldoende energie bevat, dan heeft
het aangeslagen elektron voldoende energie over om een tweede elektron in
hetzelfde nanokristal aan te slaan. Met behulp van deze ladingsvermenigvuldiging
kunnen germanium nanokristallen meehelpen om de maximale efficiëntie van
zonnecellen te bereiken.
Referentie
Multiple exciton generation in Germanium nanocrystals, Light: Science & Applications (2015) 4, e251; doi:10.1038/lsa.2015.24.