Få to for én:Bonuselektroner i germanium nanokrystaller kan føre til bedre solceller

Forskere fra FOM, universitetet i Amsterdam, Delft University of Technology og University of the Algarve har opdaget, at når lys rammer germanium nanokrystaller, krystallerne producerer 'bonuselektroner'. Disse yderligere elektroner kunne øge udbyttet af solceller og forbedre følsomheden af ​​fotodetektorer. Forskerne vil offentliggøre deres arbejde i Lys:Videnskab og applikationer i dag.

I nanokrystaller, absorptionen af ​​en enkelt foton kan føre til excitation af flere elektroner:to for én! Dette fænomen, kendt som bærer multiplikation, var allerede velkendt i silicium nanokrystaller. Silicium er det mest anvendte materiale i solceller. Imidlertid, forskerne fandt ud af, at bærerformering også forekommer i germanium nanokrystaller, som er mere velegnede til at optimere effektiviteten end silicium nanokrystaller. Deres opdagelse kan føre til bedre solceller.

Halvlederfysik

Germanium og silicium er eksempler på halvledere:materialer, der har et energibåndgab. Når disse materialer absorberer lys, elektroner fra båndet under dette energigab (valensbånd) springer til båndet over mellemrummet (ledningsbånd). Disse ophidsede 'varme' elektroner og de huller, de efterlader, kan høstes for at danne en elektrisk strøm. De danner basisbrændstoffet til en solcelle.

Nanokrystaller og bærer multiplikation

Hvis en absorberet foton indeholder mere energi end en elektron kræver for at springe over båndgabet, den overskydende energi kan bruges til at ophidse en anden elektron. Tidligere forskning har vist, at en båndgab-energi fra 0,6 til 1,0 elektronvolt er ideel til at opnå denne bærermultiplikation.

Nanokrystaller er ekstremt små, omkring tusind gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. På grund af deres størrelse, krystallernes energistruktur er dramatisk forskellig fra bulkmaterialets. Faktisk, båndgap -energien afhænger af nanokrystalstørrelsen. Bulk germanium har et energibåndgab på 0,67 elektronvolt. Ved at justere germanium nanokrystallernes størrelse, forskerne kan ændre båndgapsenergien til værdier mellem 0,6 og 1,4 elektronvolt. Dette er inden for det ideelle område til optimering af bærermultiplikation, eller mængden af ​​'bonuselektroner'.

Udfører eksperimentet

For at undersøge bærer multiplikation i nanokrystaller, forskerne brugte en optisk teknik kaldet pumpe-probe spektroskopi. En indledende laserpuls, kaldet pumpen, udsender fotoner, der exciterer nanokrystallen ved at skabe én fri elektron i ledningsbåndet. En anden puls af fotoner, kaldet sonden, kan derefter absorberes af denne elektron.

Forskerne fandt ud af, at hvis energien fra pumpefoton er det dobbelte af germanium -nanokrystallernes båndgap -energi, sondelyset absorberes af to elektroner i stedet for én. Denne effekt er det velkendte fingeraftryk af carrier multiplikation. Med andre ord, hvis pumpefonen bærer tilstrækkelig energi, den varme elektron indeholder nok overskydende energi til at excitere en anden elektron i den samme nanokrystal. Ved at bruge denne bærer multiplikation, germanium nanokrystaller kan hjælpe med at opnå den maksimale effektivitet af solceller.