Wanneer een zonnecel een foton van licht absorbeert, het begint een elektronische race tegen de klok. Twee deeltjes - een negatief geladen elektron en een positief geladen "gat" - wekken elektriciteit op als ze volledig uit elkaar gaan.

Echter, wanneer deze deeltjes vast komen te zitten in een zonnemateriaal voordat ze volledig kunnen scheiden, het kan het vermogen van het materiaal om licht om te zetten in elektriciteit verminderen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe studie gepubliceerd die het proces identificeert waardoor gaten vast komen te zitten in nanodeeltjes gemaakt van zinkoxide, een materiaal van potentieel belang voor zonne-toepassingen omdat het ultraviolet licht absorbeert.

"Als je een zonnecel maakt, je wilt voorkomen dat er gaten vallen; maar als je een fotokatalysator maakt, je wilt ze in de val lokken." — Röntgenwetenschapper Christopher Milne van het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland.

Met behulp van röntgenstralen geproduceerd door Argonne's Advanced Photon Source (APS), de onderzoekers waren in staat om gaten in specifieke regio's van het nanodeeltje te zien. Dit betekent een opmerkelijke vooruitgang, omdat eerdere experimenten de migratie en het vangen van elektronen konden detecteren, maar geen gaten.

Volgens Stephen Southworth, een auteur van de studie, sommigen hebben zinkoxide beschouwd als een mogelijk alternatief voor titaniumdioxide, het meest gebruikte fotovoltaïsche materiaal. Het begrijpen van het vanggedrag van gaten is noodzakelijk om de levensvatbaarheid van het materiaal in zonne-energietoepassingen te evalueren, hij zei.

Hoewel het opvangen van gaten de prestaties van fotovoltaïsche apparaten schaadt, het kan het vermogen van zinkoxide om als fotokatalysator te werken verbeteren, omdat positieve ladingen die in de vallen in het materiaal zijn opgeslagen, kunnen gaan fungeren als deelnemers aan chemische reacties.

"Als je een zonnecel maakt, je wilt voorkomen dat er gaten vallen; maar als je een fotokatalysator maakt, je wilt ze in de val lokken, " zei projectleider Christopher Milne, een röntgenwetenschapper aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland. "Achteloos, begrijpen hoe deze atomen vast komen te zitten - en voor hoe lang - is van cruciaal belang voor het maken van functionele materialen die licht omzetten in bruikbare energie."

De onderzoekers stelden vast dat de gaten vast kwamen te zitten in "zuurstofvacatures" - plaatsen in het kristalrooster waar een zuurstofatoom ontbreekt. Zinkoxide, Milne zei, heeft een kristallijne structuur waardoor het veel van deze vacatures kan hebben. De trapping gebeurt omdat de vacatures een lager energieniveau hebben dan de omgeving, het creëren van een energetische spleet voor het passeren van gaten.

Om hun metingen te doen, de onderzoekers combineerden twee verschillende röntgentechnieken:röntgenabsorptiespectroscopie en resonante röntgenemissiespectroscopie. "Het combineren van deze technieken is uniek mogelijk met de opstelling die we hebben bij het APS, ons een beeld geeft dat ons zowel de atomaire geometrie als de elektronische structuur van het materiaal laat zien, " zei Argonne röntgenfysicus Gilles Doumy, een auteur van de studie, die de 7ID-D-bundellijn bij de APS gebruikte.

"APS was een van de weinige plaatsen ter wereld waar we dit experiment hadden kunnen doen. Het was een zeer vruchtbare samenwerking, " zei Milne. De APS is een DOE Office of Science User Facility.

De onderzoekers gaven aan dat toekomstige studies van het systeem baat kunnen hebben bij de mogelijkheid om extreem snelle snapshots van het vanggedrag te maken. Een dergelijk experiment zou kunnen worden uitgevoerd in röntgenvrije-elektronenlaserfaciliteiten zoals SLAC's Linac Coherent Light Source, ook een DOE Office of Science User Facility.

"Eigenlijk, we willen hetzelfde proces zien, maar hebben de mogelijkheid om duizend keer sneller foto's te maken, ' zei Southworth.

"De functionaliteit van het materiaal zal altijd afhangen van hoe gedrag in vroege tijden in het proces het gedrag op latere en langere tijden beïnvloedt, " voegde Doumy eraan toe. "We hebben beide foto's nodig voor een goed begrip."

Een artikel op basis van het onderzoek, "Onthulling van het vangen van gaten in nanodeeltjes van zinkoxide door in de tijd opgeloste röntgenspectroscopie, " verscheen in het online nummer van 2 februari van Natuurcommunicatie .