Indsigt baner vej for solceller og fotodetektorer baseret på justerbare nanopartikler

Solceller og fotodetektorer kan snart fremstilles af nye typer materialer baseret på halvlederkvanteprikker, takket være ny indsigt baseret på ultrahurtige målinger, der fanger fotokonverteringsprocesser i realtid.

"Vores seneste ultrahurtige elektro-optiske spektroskopistudier giver hidtil uset indsigt i kvanteprikkernes fotofysik, "sagde forsker Victor Klimov, en fysiker med speciale i halvleder nanokrystaller ved Los Alamos National Laboratory, "og denne nye information hjælper med at perfektionere materialernes egenskaber til applikationer i praktiske fotokonverteringsenheder. Vores nye eksperimentelle teknik giver os mulighed for at følge en kæde af hændelser, der blev lanceret af femtosekund -laserpulser og nedfælde processer, der er ansvarlige for effektivitetstab under transformation af indfaldende lys til elektrisk nuværende."

Fotokonvertering er en proces, hvor energien af ​​en foton, eller kvante af lys, omdannes til andre former for energi, for eksempel, kemisk eller elektrisk. Halvlederkvanteprikker er kemisk syntetiserede krystallinske nanopartikler, der er blevet undersøgt i mere end tre årtier i forbindelse med forskellige fotokonverteringssystemer, herunder fotovoltaik (generering af fotoelektricitet) og fotokatalyse (generering af "solbrændstoffer"). Appellen til kvantepunkter stammer fra den uforlignelige afstemning af deres fysiske egenskaber, som kan justeres ved at kontrollere størrelsen, form og sammensætning af prikkerne.

I Los Alamos, forskningen forbindes med den institutionelle mission at løse nationale sikkerhedsudfordringer gennem videnskabelig ekspertise, i dette tilfælde med fokus på nye fysiske principper for højeffektiv fotokonvertering, ladningsmanipulation i udforskende enhedsstrukturer og nye nanomaterialer.

Se en video om kvanteprikker:

Interessen for kvanteprikker som solcellematerialer er blevet motiveret af deres justerbare optiske spektre såvel som interessant ny fysik såsom højeffektiv bærermultiplikation, det er, generering af flere elektron-hul-par af enkelte fotoner. Denne effekt, opdaget af Los Alamos-forskere i 2004, resulterede i en bølge af aktiviteter inden for kvantepunktsolceller, der hurtigt skubbede effektiviteten af ​​praktiske enheder til mere end 10 procent.

Yderligere fremskridt på dette område er blevet hindret af udfordringen med at forstå mekanismerne for elektrisk ledningsevne i kvanteprik-faststoffer og de processer, der begrænser ladningstransportafstanden. En specifik og vedvarende udfordring af stor betydning set fra solcelleanlæg (PV), Klimov sagde, er at forstå årsagerne til et betydeligt tab i fotospænding sammenlignet med forudsagte teoretiske grænser - et problem med kvantepunktsolceller kendt som et "fotospændingsunderskud." Los Alamos-forskere ved Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) hjælper med at besvare nogle af ovenstående spørgsmål.

Ved at anvende en kombination af ultrahurtige optiske og elektriske teknikker, Los Alamos-forskerne har været i stand til trin-for-trin at løse en række hændelser, der er involveret i fotokonvertering i quantum dot-film fra dannelse af en exciton til adskillelse af elektronhuller, prik-til-prik ladningsmigration og til sidst rekombination.

Den høje tidsmæssige opløsning af disse målinger (bedre end en milliardtedel af et sekund) gjorde det muligt for holdet at afsløre årsagen til et stort fald i elektronenergien, som skyldes meget hurtig elektronindfangning af defektrelaterede tilstande. I tilfælde af praktiske anordninger, denne proces ville resultere i reduceret fotovoltage. De nyligt udførte undersøgelser fastslår den nøjagtige tidsskala for denne problematiske fangstproces og antyder, at en moderat (mindre end ti gange) forbedring i elektronmobiliteten skulle give mulighed for at indsamle fotogenererede ladningsbærere før deres afslapning til lavere energitilstande. Dette ville give et dramatisk løft i fotospændingen og derfor øge den samlede enhedseffektivitet.

En anden interessant effekt afsløret af disse undersøgelser er elektronens og hullets "spins" indflydelse på fotokonduktans. Normalt påberåbes spin-egenskaber for partikler (de kan opfattes som hastigheden og retningen af ​​partikelrotation omkring dens akse) i tilfælde af interaktioner med et magnetfelt. Imidlertid, tidligere har man fundet ud af, at selv en svag vekselvirkning mellem spins af en elektron og et hul (såkaldt "spin-udvekslings"-interaktion) har en dramatisk effekt på lysemissionen fra kvanteprikkerne.

De foreliggende målinger afslører, at disse interaktioner også påvirker processen med elektronhulleseparation mellem tilstødende prikker i kvante-prik-faste stoffer. Specifikt tyder disse undersøgelser på, at fremtidige bestræbelser på højfølsomme kvanteprikfotodetektorer bør tage hensyn til effekten af ​​udvekslingsblokade, som ellers kunne hæmme lavtemperatur fotokonduktans.

Quantum dot-materialer har været kernen i forskningen ved Los Alamos Center for Advanced Solar Photophysics, som har undersøgt deres anvendelse til solenergiteknologier såsom selvlysende sollysfangere til solvinduer og billige PV-celler behandlet fra kvantepunktløsninger.