Halfgeleiders zetten energie van fotonen (licht) om in een elektronenstroom. Echter, sommige fotonen dragen te veel energie voor het materiaal om te absorberen. Deze fotonen produceren "hete elektronen, " en de overtollige energie van deze elektronen wordt omgezet in warmte. Materiaalwetenschappers hebben gezocht naar manieren om deze overtollige energie te oogsten. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en Nanyang Technological University (Singapore) hebben nu aangetoond dat dit misschien makkelijker is dan verwacht door het combineren van een perovskiet met een acceptormateriaal voor hete elektronen. Hun proof of principle werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 15 nov.

In fotovoltaïsche cellen, halfgeleiders absorberen fotonenergie, maar alleen van fotonen die de juiste hoeveelheid energie hebben:te weinig, en de fotonen gaan dwars door het materiaal; te veel, en de overtollige energie gaat verloren als warmte. De juiste hoeveelheid wordt bepaald door de bandgap:het verschil in energieniveaus tussen de hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) en de laagste onbezette moleculaire orbitaal (LUMO).

Nanodeeltjes

"De overtollige energie van hete elektronen geproduceerd door de hoogenergetische fotonen wordt zeer snel door het materiaal geabsorbeerd als warmte, " legt Maxim Pshenichnikov uit, hoogleraar ultrasnelle spectroscopie aan de Rijksuniversiteit Groningen. Om de energie van hete elektronen volledig op te vangen, materialen met een grotere bandgap moeten worden gebruikt. Echter, dit betekent dat de hete elektronen naar dit materiaal moeten worden getransporteerd voordat ze hun energie verliezen. De huidige algemene benadering voor het oogsten van deze elektronen is om het verlies van energie te vertragen, bijvoorbeeld, door nanodeeltjes te gebruiken in plaats van bulkmateriaal. "In deze nanodeeltjes er zijn minder mogelijkheden voor de elektronen om de overtollige energie als warmte af te geven, " legt Pshenichnikov uit.

Samen met collega's van de Nanyang Technological University, waar hij de afgelopen drie jaar gasthoogleraar was, Pshenichnikov bestudeerde een systeem waarin een organisch-anorganische hybride perovskiet halfgeleider werd gecombineerd met de organische verbinding bathofenanthroline (bphen), een materiaal met een grote bandgap. De wetenschappers gebruikten laserlicht om elektronen in de perovskiet te exciteren en bestudeerden het gedrag van de hete elektronen die werden gegenereerd.

Barrière

"We gebruikten een methode genaamd pump-push sondering om elektronen in twee stappen te exciteren en ze te bestuderen op femtoseconde tijdschalen, " legt Pshenichnikov uit. Hierdoor konden de wetenschappers elektronen produceren in de perovskieten met energieniveaus net boven de bandgap van bphen, zonder opwindende elektronen in de bphen. Daarom, alle hete elektronen in dit materiaal zouden afkomstig zijn van de perovskiet.

De resultaten toonden aan dat hete elektronen van de perovskiet-halfgeleider gemakkelijk door de bphen werden geabsorbeerd. "Dit gebeurde zonder de noodzaak om deze elektronen te vertragen, en bovendien, in bulkmateriaal. Dus zonder trucjes, de hete elektronen werden geoogst." Echter, de wetenschappers merkten op dat de benodigde energie iets hoger was dan de bphen-bandgap. "Dit was onverwacht. Blijkbaar er is wat extra energie nodig om een ​​barrière op het grensvlak tussen de twee materialen te overwinnen."

Hoe dan ook, de studie levert een proof of principle voor het oogsten van hete elektronen in bulk perovskiet halfgeleidermateriaal. Pshenichnikov zegt, "De experimenten zijn uitgevoerd met een realistische hoeveelheid energie, vergelijkbaar met zichtbaar licht. De volgende uitdaging is om met deze combinatie van materialen een echt apparaat te bouwen."