Onderzoekers van het Institute of Physics van de UvA, de Stichting FOM, de TU Delft en de Universiteit van de Algarve hebben ontdekt dat germanium nanokristallen onder de invloed van licht 'bonuselektronen' opleveren. Deze extra elektronen kunnen de opbrengst van zonnecellen vergroten, of de gevoeligheid van lichtsensoren verbeteren. De onderzoekers publiceren hun werk vandaag in Light: Science & Applications.

In nanokristallen kan de absorptie van een enkel foton leiden tot meerdere aangeslagen elektronen: twee voor de prijs van een! Dit fenomeen, ladingsvermenigvuldiging, was al bekend bij silicium nanokristallen. Silicium is het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. De onderzoekers hebben nu gezien dat ladingsvermenigvuldiging ook plaatsvindt in germanium nanokristallen, waarbij de efficientie gemakkelijker te verbeteren is dan bij silicium nanokristallen. De ontdekking kan daardoor leiden tot betere zonnecellen.

Halfgeleiderfysica

Germanium en silicium zijn voorbeelden van halfgeleiders: materialen met een energie-bandgap, ofwel bandkloof. Wanneer deze materialen licht absorberen kunnen elektronen van de band onder de energie-gap (valentieband) naar de band boven de gap (geleidingsband) springen. Deze aangeslagen, `hete' elektronen en de gaten die ze achterlaten vormen een elektrische stroom. Ze zijn de basisbrandstof van een zonnecel.

Nanokristallen en ladingsvermenigvuldiging

Als een geabsorbeerd foton meer energie bevat dan nodig is om een elektron over de bandgap te laten springen, kan het overschot aan energie een tweede elektron aanslaan. Uit eerder onderzoek bleek dat een bandgap-energie tussen de 0,6 en 1,0 elektronvolt ideaal is om deze ladingvermenigvuldiging tot stand te brengen. Nanokristallen zijn extreem klein, zo'n duizend maal kleiner dan de dikte van een menselijke haar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de kristallen enorm af van die van bulkmateriaal. De bandgap-energie is direct afhankelijk van de kristalgrootte. Bulk germanium heeft een bandgap-energie van 0,67 elektronvolt. Door de grootte van de germanium nanokristallen aan te passen, konden de onderzoekers deze waarde bijstellen naar energieen tussen 0,6 en 1,4 elektronvolt - binnen de ideale marges voor ladingsvermenigvuldiging, ofwel het aantal `bonuselektronen'.

Image caption The material is illuminated with photons. In some of the germanium nanocrystals, the photons cause electrons to be excited, and thus form an electron-hole (e-h) pair. There are two possibilities. (1) The incoming photon has an energy in the range between once and twice the bandgap energy. One e-h pair is formed. (2) The incoming photon has an energy of more than two times the bandgap energy. The excess energy of the electron - the `kinetic' energy of the electron which is excited high up in the conduction band - is sufficient to create a second e-h pair in the same nanocrystal. In that way, carrier multiplication is achieved.

Licht (fotonen) vallen op het materiaal. In enkele van de germanium nanokristallen slaat het licht elektronen aan, waardoor een elektron-gat-paar (e-h) vormt. Er zijn twee mogelijkheden. (1) De energie van het binnenkomende foton ligt tussen een- en tweemaal de bandgap-energie. Er vormt een elektron-gat-paar. (2) De energie van het binnenkomende foton is meer dan tweemaal de bandgap-energie. Het overschot aan energie, de `kinetische' energie van het elektron dat hoog in de geleidingsband is aangeslagen, is voldoende om een tweede elektron-gat-paar te laten ontstaan in hetzelfde nanokristal. Op die manier is ladingsvermenigvuldiging een feit.

Het experiment

Om ladingsvermenigvuldiging in nanokristallen te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers een optische techniek die pump-probe spectroscopie heet. Een eerste laserpuls, de pump, zendt fotonen uit die het nanokristal aanslaan door een elektron in de geleidingsband te brengen. Een tweede puls van fotonen, de probe, kan dan door dit elektron geabsorbeerd worden. De onderzoekers ontdekten dat als de energie van de pump-foton tweemaal zo groot is als de bandgap-energie van de germanium nanokristallen, het probe-licht geabsorbeerd wordt door twee elektronen in plaats van door een. Dit effect is de welbekende vingerafdruk van landingsvermenigvuldiging. Met andere woorden, als de pump-foton voldoende energie bevat, dan heeft het aangeslagen elektron voldoende energie over om een tweede elektron in hetzelfde nanokristal aan te slaan. Met behulp van deze ladingsvermenigvuldiging kunnen germanium nanokristallen meehelpen om de maximale efficientie van zonnecellen te bereiken.

Referentie

Multiple exciton generation in Germanium nanocrystals, Light: Science & Applications (2015) 4, e251; doi:10.1038/lsa.2015.24.

FOM

Gepubliceerd door IOP