NIM-wetenschappers van LMU München hebben een nieuw effect gevonden met betrekking tot de optische excitatie van ladingsdragers in een zonne-halfgeleider. Het zou het gebruik van infrarood licht kunnen vergemakkelijken, die normaal gesproken verloren gaat in zonne-apparaten.

Halfgeleiders zijn tegenwoordig de meest prominente materialen om zonnelicht om te zetten in bruikbare elektrische energie. Het International Energy Agency (IEA) meldde dat er vorig jaar wereldwijd elke dag een half miljoen zonnepanelen werden geïnstalleerd. Echter, op halfgeleiders gebaseerde zonnecellen hebben nog steeds te lijden van relatief lage energieconversie-efficiënties. De reden daarvoor ligt vooral in het feit dat halfgeleiders het licht van een vrij klein deel van het zonnespectrum efficiënt omzetten in elektrisch vermogen. De spectrale positie van dit lichtvenster dat efficiënt kan worden omgezet, is sterk gerelateerd aan een eigenschap van de betrokken halfgeleider (dat wil zeggen, zijn bandgap). Dit betekent dat, als de halfgeleider is ontworpen om geel licht te absorberen, licht met een langere golflengte (zoals rood en infrarood licht), zal door het materiaal gaan zonder stromen te produceren. Aanvullend, licht met een kortere golflengte (groen, blauw en UV-licht), dat is energieker dan geel licht, verliest zijn extra hoeveelheid energie in warmte. Het verkrijgen van hogere energieconversie-efficiënties van halfgeleiders is daarom nog steeds een grote uitdaging.

Perovskiet nanokristallen voor energieconversie

Om deze beperkingen te bestuderen, Aurora Manzi, een doctoraat student van de leerstoel voor fotonica onder leiding van prof. Jochen Feldmann, heeft de ladingsdragerdichtheid gemeten die wordt gecreëerd door de absorptie van meerdere fotonen in perovskiet-nanokristallen, een nieuw en veelbelovend materiaal voor fotovoltaïsche toepassingen.

"Meervoudige fotonenabsorptie van licht met een lange golflengte met een energie die lager is dan het halfgeleiderabsorptievenster is meestal erg inefficiënt.", hoogtepunten Manzi, eerste auteur van de publicatie in Natuurcommunicatie en een student van het NIM afstudeerprogramma. "Ik was dan ook totaal verrast om te zien dat voor specifieke excitatiegolflengten de efficiëntie van dit proces drastisch wordt verbeterd. In het begin hadden we daar geen zin in!"

Licht en exciton "boventonen" in resonantie

Na intensieve discussies, het team van LMU-wetenschappers realiseerde zich dat deze resonanties optreden wanneer veelvouden van twee verschillende fundamentele frequenties gelijk worden, namelijk die van de frequentie van de primaire lichtoscillatie en die van de frequentie van de bandgap of meer precies van het exciton bij de bandgap.

Men zou een analogie kunnen trekken met resonantie- of boventoonfenomenen in de akoestiek, vaak gebruikt in muziekinstrumenten. Wanneer intens rood licht op nanogestructureerde perovskiet-nanokristallen valt, er vindt een proces plaats dat vergelijkbaar is met het genereren van boventonen in een gitaarsnaar. De fundamentele lichtgolflengte genereert optische harmonischen van hogere orde, dat zijn boventonen waarvan de frequenties gehele veelvouden zijn van de primaire lichtoscillatie. Wanneer zo'n "lichte boventoon" resoneert met een boventoon van de excitonische band-gap, de energie-uitwisseling wordt verbeterd, wat leidt tot een verhoogde generatie van ladingsdragers of meer precies van meerdere excitonen bij de band gap.

Startpunt voor verder onderzoek

"De waargenomen resonanties zijn analoog aan de fysieke verschijnselen die plaatsvinden in twee verschillende snaren van een gitaar", vervolgt Manzi. "Als we de eerste snaar associëren met de lichtexcitatie en de tweede snaar met de halfgeleider-excitonische band-gap, we weten uit de akoestiek dat ze in resonantie zullen komen als een bepaalde harmonische van de eerste snaar overeenkomt met een andere harmonische van de tweede snaar."

"De waarneming van dit nieuwe resonantiefenomeen voor optische excitaties in excitonische halfgeleiders zou de weg kunnen effenen voor zonnecellen om licht met een lange golflengte efficiënter om te zetten in bruikbare elektrische stroom", voegt prof. Feldmann toe, de leider van het onderzoeksteam. "Dit is een opwindende nieuwe bevinding met een mogelijke impact voor toekomstige zonne-apparaten. Samen met onze collega's van het onderzoeksnetwerk "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), we gaan nu proberen innovatieve toepassingen te ontwikkelen door met zulke boventonen te spelen."