Halfgeleiders worden gebruikt voor talloze opto-elektronische apparaten. Echter, naarmate apparaten kleiner en kleiner en veeleisender worden, nieuwe materialen zijn nodig om ervoor te zorgen dat apparaten efficiënter werken. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering hebben een pioniersrol gespeeld in een nieuwe klasse van halfgeleidermaterialen die de functionaliteit van opto-elektronische apparaten en zonnepanelen zouden kunnen verbeteren - misschien zelfs met honderd keer minder materiaal dan het veelgebruikte silicium.

Onderzoekers van USC Viterbi, geleid door Jayakanth Ravichandran, een assistent-professor in de Mork Family Department of Chemical Engineering and Material Sciences en met inbegrip van Shanyuan Niu, Huaixun Huyan, Yang Liu, Matthew Yeung, Kevin Je, Louis Blankemeier, Thomas Orvis, Debarghya Sarkar, Universitair Docent Elektrotechniek Rehan Kapadia, en David J. Singh, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Missouri, hebben een nieuwe klasse materialen ontwikkeld die superieur zijn in prestaties en een verminderde toxiciteit hebben. hun proces, gedocumenteerd in "Bandgap Control via Structural and Chemical Tuning of Transition Metal Perovskite Chalcogenide, " is gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Ravichandran, de leiding over dit onderzoek, is een materiaalwetenschapper, die altijd geïnteresseerd is geweest in het begrijpen van de stroom van elektronen en warmte door materialen, evenals de manier waarop elektronen interageren in materialen. Deze diepgaande kennis van hoe materiaalsamenstelling de elektronenbeweging beïnvloedt, was van cruciaal belang voor de meest recente innovatie van Ravichandran en zijn collega's.

Computers en elektronica worden steeds beter, maar volgens Jayakanth Ravichandran, de hoofdonderzoeker van dit onderzoek, "de prestaties van het meest elementaire apparaat - de transistors - worden niet beter." Er is een plateau in termen van prestaties, zoals opgemerkt door wat wordt beschouwd als het 'einde van de wet van Moore'. gelijk aan elektronica, er is veel interesse om hoogwaardige halfgeleiders voor opto-elektronica te ontwikkelen. Het samenwerkende team van materiaalwetenschappers en elektrotechnici wilde nieuwe materialen ontwikkelen die de ideale optische en elektrische eigenschappen zouden kunnen tonen voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals displays, lichtdetectoren en zenders, evenals zonnecellen.

De onderzoekers ontwikkelden een klasse van halfgeleiders die 'transitiemetaalperovskiet-chalcogeniden' worden genoemd. Momenteel, de meest bruikbare halfgeleiders bevatten niet genoeg dragers voor een bepaald volume materiaal (een eigenschap die wordt aangeduid als "dichtheid van toestanden"), maar ze transporteren elektronen snel en daarom is bekend dat ze een hoge mobiliteit hebben. De echte uitdaging voor wetenschappers was om deze dichtheid van toestanden in materialen te vergroten, met behoud van een hoge mobiliteit. Er wordt voorspeld dat het voorgestelde materiaal deze tegenstrijdige eigenschappen bezit.

Als eerste stap om zijn potentiële toepassingen te laten zien, de onderzoekers bestudeerden het vermogen om licht te absorberen en uit te stralen. "Er is een gezegde, " zegt Ravichandran over de dialoog tussen degenen op het gebied van optica en fotonica, "dat een zeer goede LED ook een zeer goede zonnecel is." Omdat de materialen die Ravichandran en zijn collega's hebben ontwikkeld, licht effectief absorberen en uitstralen, zonnecellen zijn een mogelijke toepassing.

Zonnecellen absorberen licht en zetten het om in elektriciteit. Echter, zonnepanelen zijn gemaakt van silicium, dat via een zeer energie-intensief winningsproces uit zand komt. Als zonnecellen gemaakt zouden kunnen worden van een nieuwe, alternatief halfgeleidermateriaal zoals gemaakt door de USC Viterbi-onderzoekers - een materiaal dat meer elektronen zou kunnen bevatten voor een bepaald volume (en de dikte van de panelen vermindert), zonnecellen zouden efficiënter kunnen zijn - misschien honderd keer minder materiaal gebruiken om dezelfde hoeveelheid energie op te wekken. Dit nieuwe materiaal, indien toegepast in de zonne-energie-industrie, zou zonne-energie goedkoper kunnen maken.

Hoewel het een lange weg is om een ​​dergelijke klasse materialen op de markt te brengen, de volgende stap is om dit materiaal te recreëren in een ultradunne filmvorm om zonnecellen te maken en hun prestaties te testen. "De belangrijkste bijdrage van dit werk, " zegt Ravichandran, "is onze nieuwe synthesemethode, wat een drastische verbetering is ten opzichte van eerdere studies. Ook, onze demonstratie van brede afstembaarheid in optische eigenschappen (vooral band gap) is veelbelovend voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten met afstembare optische eigenschappen."