Optiske overtoner til solceller

NIM-forskere fra LMU München har fundet en ny effekt med hensyn til optisk excitation af ladningsbærere i en sol-halvleder. Det kunne lette udnyttelsen af ​​infrarødt lys, som normalt går tabt i solcelleanlæg.

Halvledere er i dag de mest fremtrædende materialer til at omdanne sollys til brugbar elektrisk energi. Det Internationale Energiagentur (IEA) rapporterede, at en halv million solpaneler blev installeret hver dag rundt om i verden sidste år. Imidlertid, halvlederbaserede solceller lider stadig under relativt lav energiomdannelseseffektivitet. Årsagen til det ligger hovedsageligt i, at halvledere effektivt omdanner lyset fra en ganske lille del af solspektret til elektrisk strøm. Den spektrale position af dette lysvindue, der effektivt kan konverteres, er stærkt relateret til en egenskab ved den involverede halvleder (dvs. dens båndgab). Det betyder at, hvis halvlederen er designet til at absorbere gult lys, lys med længere bølgelængde (såsom rødt og infrarødt lys), vil passere gennem materialet uden at producere strømme. Derudover lys med kortere bølgelængde (grøn, blåt og UV-lys), der er mere energisk end gult lys, vil miste sin ekstra mængde energi til varme. At opnå højere energikonverteringseffektiviteter fra halvledere er derfor stadig en stor udfordring.

Perovskit nanokrystaller til energiomdannelse

For at studere disse begrænsninger, Aurora Manzi, en ph.d. studerende fra lærestolen for fotonik ledet af prof. Jochen Feldmann, har målt ladningsbærerens tæthed skabt af absorptionen af ​​flere fotoner i perovskit nanokrystaller, et nyt og lovende materiale til fotovoltaiske applikationer.

"Flerfotonabsorption af langbølget lys med en energi lavere end halvlederabsorptionsvinduet er normalt meget ineffektiv." fremhæver Manzi, første forfatter til publikationen i Naturkommunikation og en studerende fra NIM-graduate-programmet. "Jeg var derfor fuldstændig overrasket over at observere, at for specifikke excitationsbølgelængder bliver effektiviteten af ​​denne proces drastisk forbedret. I begyndelsen gav dette ingen mening for os!"

Lys og exciton "overtoner" i resonans

Efter intense diskussioner, teamet af LMU-forskere indså, at disse resonanser opstår, når multipla af to forskellige fundamentale frekvenser bliver ens, nemlig frekvensen af ​​den primære lysoscillation og frekvensen af ​​båndgabet eller mere præcist af excitonen ved båndgabet.

Man kunne drage en analogi til resonans- eller overtonefænomener i akustik, almindeligt anvendt i musikinstrumenter. Når intenst rødt lys rammer nanostrukturerede perovskit nanokrystaller, en proces, der ligner genereringen af ​​overtoner i en guitarstreng, finder sted. Den grundlæggende lysbølgelængde genererer optiske harmoniske af højere orden, der er overtoner, hvis frekvenser er heltals multipla af den primære lysoscillation. Når en sådan "let overtone" bliver resonant med en overtone af det excitoniske båndgab, energiudvekslingen forbedres, hvilket fører til en øget generering af ladningsbærere eller mere præcist af flere excitoner ved båndgabet.

Udgangspunkt for videre forskning

"De observerede resonanser er analoge med de fysiske fænomener, der finder sted i to forskellige strenge på en guitar", fortsætter Manzi. "Hvis vi forbinder den første streng med lysexcitationen og den anden streng til halvlederens excitoniske båndgab, Vi ved fra akustikken, at de vil komme i resonans, hvis en vis harmonisk af den første streng vil matche en anden harmonisk af den anden streng."

"Observationen af ​​dette nye resonansfænomen for optiske excitationer i excitoniske halvledere kunne bane vejen for, at solceller mere effektivt kan konvertere langbølget lys til brugbar elektrisk kraft", tilføjer prof. Feldmann, lederen af ​​forskergruppen. "Dette er et spændende nyt fund med en mulig indvirkning på fremtidige solenergienheder. Sammen med vores kolleger fra forskningsnetværket "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), vi vil nu forsøge at udvikle innovative applikationer ved at lege med sådanne overtoner."