Varme elektroner høstet uden tricks

Halvledere konverterer energi fra fotoner (lys) til en elektronstrøm. Imidlertid, nogle fotoner bærer for meget energi til, at materialet kan absorbere. Disse fotoner producerer "varme elektroner, "og disse elektroners overskydende energi omdannes til varme. Materialeforskere har ledt efter måder at høste denne overskydende energi på. Forskere fra University of Groningen og Nanyang Technological University (Singapore) har nu vist, at dette kan være lettere end forventet af at kombinere en perovskit med et acceptormateriale til varme elektroner. Deres principbevis blev offentliggjort i Videnskab fremskridt den 15. november.

I fotovoltaiske celler, halvledere vil absorbere fotonenergi, men kun fra fotoner, der har den rigtige mængde energi:for lidt, og fotonerne passerer lige igennem materialet; for meget, og den overskydende energi går tabt som varme. Den rigtige mængde bestemmes af båndgabet:forskellen i energiniveauer mellem den højeste besatte molekylære orbital (HOMO) og den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO).

Nanopartikler

"Overskydende energi af varme elektroner produceret af højenergifotoner absorberes meget hurtigt af materialet som varme, "forklarer Maxim Pshenichnikov, professor i ultrahurtig spektroskopi ved universitetet i Groningen. For fuldt ud at fange energien fra varme elektroner, materialer med en større båndgap skal bruges. Imidlertid, det betyder, at de varme elektroner skal transporteres til dette materiale, før de mister deres energi. Den nuværende generelle tilgang til at høste disse elektroner er at bremse tabet af energi, for eksempel, ved at bruge nanopartikler i stedet for bulkmateriale. "I disse nanopartikler, der er færre muligheder for elektronerne til at frigive den overskydende energi som varme, " forklarer Pshenichnikov.

Sammen med kolleger fra Nanyang Technological University, hvor han var gæsteprofessor i de sidste tre år, Pshenichnikov studerede et system, hvor en organisk-uorganisk hybrid perovskit-halvleder blev kombineret med den organiske forbindelse bathophenanthrolin (bphen), et materiale med et stort båndgab. Forskerne brugte laserlys til at excitere elektroner i perovskitten og studerede adfærden for de varme elektroner, der blev genereret.

Barriere

"Vi brugte en metode kaldet pump-push-sondering til at excitere elektroner i to trin og studere dem på femtosekunders tidsskalaer, "forklarer Pshenichnikov. Dette tillod forskerne at producere elektroner i perovskitterne med energiniveauer lige over bphens båndgab, uden spændende elektroner i bphen. Derfor, eventuelle varme elektroner i dette materiale ville være kommet fra perovskitten.

Resultaterne viste, at varme elektroner fra perovskit -halvlederen let blev absorberet af bphen. "Dette skete uden at det var nødvendigt at bremse disse elektroner, og desuden, i bulkmateriale. Så uden tricks, de varme elektroner blev høstet." forskerne bemærkede, at den nødvendige energi var lidt højere end bphen-båndgabet. "Dette var uventet. Tilsyneladende lidt ekstra energi er nødvendig for at overvinde en barriere ved grænsefladen mellem de to materialer. "

Alligevel, undersøgelsen giver et principbevis for høstning af varme elektroner i bulk perovskit halvledermateriale. Pshenichnikov siger, "Eksperimenterne blev udført med en realistisk mængde energi, sammenlignes med synligt lys. Den næste udfordring er at konstruere en rigtig enhed ved hjælp af denne kombination af materialer."