Lanthan chromoxider energisk dans med lys

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, University College London, og Florida International University har bestemt, hvordan et bestemt oxidmateriale, lanthan chromoxid (LCO), interagerer med synligt og ultraviolet lys.

Optagelse af lys i visse slags materialer resulterer i omdannelse af lysenergi til elektrisk energi, en proces af stor betydning inden for energiteknologi. Solen er rigelig i synligt lys, der ser grønt ud for øjet, og at kunne omdanne sollys til elektricitet fører til en fri, ren energikilde, der ikke efterlader kulstofaftryk. Sådanne energikilder er afgørende for en sikker, sikker, og miljøvenlig energifremtid, noget, der burde have interesse for enhver amerikaner.

Kun visse slags materialer kan absorbere lys og omdanne lyset til elektricitet. Disse materialer kaldes halvledere. "Semi" er et latinsk præfiks, der betyder "halvt". Så, en halvleder kan betragtes som en halv eller delvis leder af elektricitet, i forhold til metaller, som er fremragende ledere af elektricitet. Grunden til at en halvleder kun er en delvis leder af elektricitet er fordi dens energibånd, eller orbitaler, hvor elektroner bor, er opdelt i to slags. Det ene kaldes valensbåndet (VB). Elektroner i VB er ikke mobile og, derfor, ikke kan lede strøm. Det andet kaldes ledningsbåndet (CB), og elektroner i CB'en er mobile. I halvledere, koncentrationen af ​​elektroner i CB er lav i forhold til i metaller, resulterer i delvis ledning. VB og CB adskilles af en fast mængde energi, kaldte bandgabet. Hvis en halvleder bestråles med lys, hvis energi er større end båndgabet, elektroner kan absorbere lyset og løftes fra VB til CB, hvilket resulterer i lysinduceret elektrisk ledningsevne. Det er meget vigtigt at finde måder at ændre egenskaberne for halvledere, så de absorberer lys i bestemte energiområder, videnskaben om lys-til-elektricitet energiomdannelse.

Materialer, der er af aktuel interesse for solceller, omfatter ofte atomer, der er giftige eller sjældne. Disse omfatter gallium, arsen, cadmium og tellur. I øvrigt, overfladerne af disse fotovoltaiske materialer reagerer med ilt i atmosfæren og danner oxider, som ændrer deres egenskaber på måder, der gør dem mindre nyttige til fotovoltaiske teknologier. En ideel materialeklasse til fremtidige fotovoltaiske applikationer er metaloxiderne, specifikt komplekse metaloxider. Disse materialer kan fremstilles af rigelige, billige atomer, og er stabile i luften, fordi de allerede er oxider. Imidlertid, de mest komplekse oxiders optiske egenskaber er i sig selv temmelig komplekse, og meget dårligt forstået. At få en detaljeret forståelse af et sådant oxid, LCO, er fokus for denne undersøgelse.

Teamets tilgang var at lave ultrarent LCO ved at deponere separate bjælker af lanthan, krom, og oxygenatomer på et fast underlag, ved hjælp af en proces kaldet molekylær stråle epitaxy. De skinnede derefter lys på LCO -filmen og varierede lysets energi, spænder over de synlige og nær ultraviolette dele af det elektromagnetiske spektrum. De bestemte de energier, hvormed lyset blev absorberet af LCO. Lysabsorptionsspektret er ret komplekst, og det er ikke muligt at forstå oprindelsen af ​​de forskellige absorptionstoppe uden hjælp af teoretiske beregninger. Til denne ende, teamet udførte et detaljeret sæt teoretiske beregninger, hvor de simulerede lysabsorberingsprocessen i LCO for forskellige lysenergier. Dette gjorde det muligt for dem i detaljer at bestemme, hvilke dele af CB og VB i LCO, der var involveret i specifikke absorptionshændelser. Hvad de lærte var ret overraskende. Tidligere eksperimentelle undersøgelser førte til den konklusion, at begyndelsen af ​​elektrisk ledningsevne forekommer for en lysenergi på ~ 3,3 elektronvolt. Teamets kombinerede eksperimentelle og teoretiske undersøgelse viste, at begyndelsen af ​​elektrisk ledningsevne faktisk forekommer for en meget højere lysenergi, ~ 4,8 elektron volt. Absorptionsegenskaberne ved lavere energier (f.eks. 3,3 elektronvolt) skyldes faktisk lokaliserede excitationer, der ikke resulterer i, at elektricitet ledes hen over LCO, og blev misfortolket i tidligere undersøgelser.

Denne undersøgelse er en del af en større undersøgelse, der har til formål at flytte LCO -båndgabet til lavere værdier, hvor solen er mere rigelig i sollys. Teamets strategi er at erstatte nogle af lanthanatomerne i LCO med strontiumatomer. I grænsen på 100% udskiftning af lanthan med strontium, vi får strontium chromoxid, som er et metal. De foreløbige resultater viser, at når procentdelen af ​​lanthan erstattet med strontium stiger, båndgabet falder faktisk til det ønskede område. Dette resultat, hvis det viser sig at være reproducerbart, betyder, at strontium lanthan chromoxid er en attraktiv kandidat til en afstemmelig båndgapoxid halvleder, der ville være nyttig til fotovoltaisk, eller "let høst" teknologi.