Kleine kristallen, ook wel kwantumstippen genoemd, hebben een internationaal team in staat gesteld een kwantumefficiëntie van meer dan 100 procent te bereiken in de fotostroom die wordt gegenereerd in een hybride anorganisch-organische halfgeleider.

Perovskieten zijn opwindende halfgeleiders voor lichtoogsttoepassingen en hebben al een aantal indrukwekkende prestaties in zonnecellen laten zien. Maar verbeteringen in de efficiëntie van fotoconversie zijn nodig om deze technologie naar een bredere markt te brengen.

Licht komt in pakketjes energie die fotonen worden genoemd. Wanneer een halfgeleider een foton absorbeert, wordt de elektromagnetische energie overgedragen aan een negatief geladen elektron en zijn positief geladen tegenhanger, ook wel een gat genoemd. Een elektrisch veld kan deze deeltjes in tegengestelde richtingen zwaaien, waardoor een stroom kan vloeien. Dit is de basiswerking van een zonnecel. Het klinkt misschien eenvoudig, maar het optimaliseren van de kwantumefficiëntie, of het verkrijgen van zoveel mogelijk elektron-gatparen uit de binnenkomende fotonen, is een al lang bestaand doel.

Een oorzaak van inefficiëntie is dat als het foton meer energie heeft dan nodig is om het elektron-gat-paar te creëren, de overtollige energie meestal verloren gaat als warmte. Maar nanomaterialen bieden uitkomst. Kleine deeltjes, zoals nanokristallen of kwantumdots, kunnen hoogenergetische fotonen omzetten in meer dan één elektron-gatpaar.

Jun Yin en Omar Mohammed van KAUST werkten samen met Yifan Chen en Mingjie Li van de Hong Kong Polytechnic University en hun collega's om deze zogenaamde meervoudige excitongeneratie (MEG) in nanokristallen van tin-loodhalogenide-perovskiet aan te tonen. "We hebben een fotostroom-kwantumefficiëntie van meer dan 100 procent aangetoond door MEG te gebruiken in de perovskiet-nanokristallen", zegt Yin.

In het verleden is MEG waargenomen in perovskiet-nanokristallen met een grote bandgap:dat wil zeggen, die halfgeleiders die alleen hoogenergetische fotonen kunnen absorberen.

Materialen met een nauwere bandgap vormen een grotere uitdaging omdat de geëxciteerde elektron-gatparen te snel ontspannen of afkoelen om te worden geëxtraheerd in een functionerend zonnecelapparaat. "Efficiënte MEG in perovskiet-nanokristallen met een kleinere bandgap en verificatie van hun inherente MEG in praktische optische apparaten zijn niet gemeld", zegt Yin.

Chen, Yin en het team synthetiseerden een halfgeleidend materiaal dat bestaat uit minuscule deeltjes formamidinium tin-loodjodide perovskiet - gemaakt met kleine hoeveelheden tin - ingebed in tinvrij FAPbI₃ . Het team is van mening dat de introductie van tin helpt om de "afkoeling" te vertragen. "We zullen het perovskiet-nanokristal verder kunnen optimaliseren door de samenstelling ervan te veranderen om hogere MEG-prestaties te verkrijgen en de licht-energieconversie te verbeteren", zegt Yin.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics . + Verder verkennen

Halfgeleiders helpen een koelere manier te vinden om te ontspannen