Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, Universiteits Hogeschool Londen, en Florida International University hebben vastgesteld hoe een bepaald oxidemateriaal, lanthaanchroomoxide (LCO), interageert met zichtbaar en ultraviolet licht.

De absorptie van licht door bepaalde soorten materialen resulteert in de omzetting van lichtenergie in elektrische energie, een proces van groot belang in de energietechnologie. De zon is overvloedig in zichtbaar licht dat er groen uitziet voor het oog, en het kunnen omzetten van zonlicht in elektriciteit leidt tot een gratis, schone energiebron die geen ecologische voetafdruk achterlaat. Dergelijke energiebronnen zijn essentieel voor een veilige, zeker, en milieuvriendelijke energietoekomst, iets dat van belang zou moeten zijn voor elke Amerikaan.

Alleen bepaalde soorten materialen kunnen licht absorberen en het licht omzetten in elektriciteit. Deze materialen worden halfgeleiders genoemd. "Semi" is een Latijns voorvoegsel dat "half" betekent. Dus, een halfgeleider kan worden gezien als een halve of gedeeltelijke geleider van elektriciteit, ten opzichte van metalen, die uitstekende geleiders van elektriciteit zijn. De reden dat een halfgeleider slechts een gedeeltelijke geleider van elektriciteit is, is omdat zijn energiebanden, of orbitalen, waar elektronen zich bevinden, zijn onderverdeeld in twee soorten. De ene wordt de valentieband (VB) genoemd. Elektronen in het VB zijn niet mobiel en daarom, kan geen elektriciteit geleiden. De andere heet de conductieband (CB), en elektronen in het CB zijn mobiel. Bij halfgeleiders, de concentratie van elektronen in het CB is laag in vergelijking met die in metalen, met gedeeltelijke geleiding tot gevolg. De VB en CB zijn gescheiden door een vaste hoeveelheid energie, de bandgap genoemd. Als een halfgeleider wordt bestraald met licht waarvan de energie groter is dan de band gap, elektronen kunnen het licht absorberen en van het VB naar het CB worden getild, resulterend in door licht geïnduceerde elektrische geleidbaarheid. Het vinden van manieren om de eigenschappen van halfgeleiders te wijzigen zodat ze licht absorberen in bepaalde energiebereiken, is erg belangrijk in fotovoltaïsche energie. de wetenschap van de omzetting van licht naar elektriciteit.

Materialen die momenteel van belang zijn in fotovoltaïsche energie bevatten vaak atomen die giftig of zeldzaam zijn. Deze omvatten gallium, arseen, cadmium en telluur. Bovendien, de oppervlakken van deze fotovoltaïsche materialen reageren met zuurstof in de atmosfeer en vormen oxiden, die hun eigenschappen zodanig verandert dat ze minder bruikbaar zijn voor fotovoltaïsche technologieën. Een ideale materiaalklasse voor toekomstige fotovoltaïsche toepassingen zijn de metaaloxiden, specifiek complexe metaaloxiden. Deze materialen kunnen worden gemaakt van overvloedige, goedkope atomen, en zijn stabiel in de lucht omdat ze al oxiden zijn. Echter, de optische eigenschappen van de meeste complexe oxiden zijn zelf nogal complex, en zeer slecht begrepen. Om een ​​gedetailleerd begrip te krijgen van zo'n oxide, LCO, staat centraal in deze studie.

De aanpak van het team was om ultrazuivere LCO te maken door afzonderlijke bundels lanthaan, chroom, en zuurstofatomen op een vast substraat, met behulp van een proces dat moleculaire bundelepitaxie wordt genoemd. Vervolgens schenen ze licht op de LCO-film en varieerden de energie van het licht, die de zichtbare en bijna ultraviolette delen van het elektromagnetische spectrum overspannen. Ze bepaalden de energieën waarmee het licht werd geabsorbeerd door de LCO. Het lichtabsorptiespectrum is vrij complex, en het is niet mogelijk om de oorsprong van de verschillende absorptiepieken te begrijpen zonder de hulp van theoretische berekeningen. Hiertoe, het team voerde een gedetailleerde reeks theoretische berekeningen uit waarin ze het lichtabsorptieproces in LCO voor verschillende lichtenergieën simuleerden. Hierdoor konden ze in detail bepalen welke delen van de CB en VB in LCO betrokken waren bij specifieke absorptiegebeurtenissen. Wat ze leerden was heel verrassend. Eerder experimenteel onderzoek leidde tot de conclusie dat het begin van elektrische geleidbaarheid optreedt bij een lichtenergie van ~3.3 elektronvolt. Het gecombineerde experimentele en theoretische onderzoek van het team toonde aan dat het begin van elektrische geleidbaarheid daadwerkelijk optreedt voor een veel hogere lichtenergie, ~ 4,8 elektronvolt. De absorptiekenmerken bij lagere energieën (zoals 3,3 elektronvolt) zijn eigenlijk te wijten aan gelokaliseerde excitaties die er niet toe leiden dat elektriciteit over de LCO wordt geleid, en werden verkeerd geïnterpreteerd in eerdere studies.

Dit onderzoek maakt deel uit van een grotere studie gericht op het verschuiven van de band gap van LCO naar lagere waarden, waar de zon overvloediger is in zonlicht. De strategie van het team is om een ​​deel van de lanthaanatomen in de LCO te vervangen door strontiumatomen. In de limiet van 100% vervanging van lanthaan door strontium, we krijgen strontiumchroomoxide, wat een metaal is. De voorlopige resultaten geven aan dat naarmate het percentage lanthaan vervangen door strontium toeneemt, de band gap neemt inderdaad af tot in het gewenste bereik. Dit resultaat, indien reproduceerbaar bevonden, betekent dat strontiumlanthaanchroomoxide een aantrekkelijke kandidaat is voor een afstembare bandgapoxidehalfgeleider die nuttig zou zijn voor fotovoltaïsche, of "light-harvesting" technologie.