(Phys.org) — Onderzoekers van Los Alamos hebben een bijna viervoudige verhoging van de opbrengst van dragervermenigvuldiging aangetoond met nano-engineered quantum dots. Carrier-vermenigvuldiging is wanneer een enkel foton meerdere elektronen kan exciteren. Quantum dots zijn nieuwe nanostructuren die de basis kunnen worden van de volgende generatie zonnecellen, in staat om extra elektriciteit uit de extra energie van blauwe en ultraviolette fotonen te persen.

"Typische zonnecellen absorberen een groot deel van het zonnespectrum, maar door de snelle afkoeling van energetische (of 'hete') ladingsdragers, de extra energie van blauwe en ultraviolette zonnefotonen wordt verspild aan het produceren van warmte, " zei Victor Klimov, directeur van het Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) in het Los Alamos National Laboratory.

Twee voor de prijs van één krijgen

"In principe, deze verloren energie kan worden teruggewonnen door deze om te zetten in extra fotostroom via dragervermenigvuldiging. In dat geval, botsing van een hete drager met een valentieband-elektron exciteert het over de energiekloof, " zei Klimov. "Op deze manier, absorptie van een enkel foton uit het hoogenergetische uiteinde van het zonnespectrum produceert niet slechts één maar twee elektron-gatparen, wat in termen van vermogen betekent dat je er twee krijgt voor de prijs van één."

Carrier-vermenigvuldiging is inefficiënt in de stortgoederen die in gewone zonnecellen worden gebruikt, maar wordt aanzienlijk verbeterd in ultrakleine halfgeleiderdeeltjes - ook wel kwantumdots genoemd - zoals voor het eerst werd aangetoond door LANL-onderzoekers in 2004 (Schaller &Klimov, Fys. ds. Lett. 92, 186601, 2004). In conventionele kwantumdots, echter, carrier-vermenigvuldiging is niet efficiënt genoeg om het vermogen van praktische apparaten te vergroten.

Een nieuwe studie uitgevoerd binnen het Center for Advanced Solar Photophysics toont aan dat op de juiste wijze ontworpen kern/schil nanostructuren gemaakt van loodselenide en cadmiumselenide (PbSe en CdSe) de dragervermenigvuldigingsopbrengst viervoudig kunnen verhogen ten opzichte van eenvoudige PbSe-kwantumdots.

Klimov legde uit, "Deze sterke verbetering is voornamelijk afgeleid van de ongewoon langzame fonon-relaxatie van hete gaten die vast komen te zitten in hoogenergetische toestanden in de dikke CdSe-schaal. De lange levensduur van deze energetische gaten maakt een alternatief ontspanningsmechanisme mogelijk via botsingen met in de kern gelokaliseerde valentieband elektron wat leidt tot zeer efficiënte dragervermenigvuldiging."

De moeren en bouten van het vertragen van de koeling

Om het effect van vertraagde koeling van de carrier te realiseren, hebben LANL-onderzoekers PbSe-kwantumdots gefabriceerd met een bijzonder dikke CdSe-schaal. Qianglu Lin, een CASP-student die aan de synthese van deze materialen werkte, zei:"Een opvallend kenmerk van de PbSe/CdSe-kwantumdots met dikke schil is de vrij heldere zichtbare emissie, uit de schaal, gelijktijdig met de infraroodemissie vanuit de kern waargenomen. Dit toont aan dat de intrabandkoeling drastisch wordt vertraagd, zodat gaten lang genoeg in de schaal blijven om emissie te produceren."

"Deze vertraagde ontspanning, die ten grondslag ligt aan de waargenomen verbetering van de vermenigvuldiging van dragers, heeft waarschijnlijk te maken met het samenspel tussen kern- versus schaal-lokalisatie van valentiebandtoestanden", legt Nikolay Makarov uit, een spectroscopist die aan dit project werkt. Istvan Robel, een ander CASP-lid voegde toe:"Onze modellering geeft aan dat wanneer de schaal dik genoeg is, de hoger-energetische gattoestanden lagen voornamelijk in de schaal, terwijl staten met een lagere energie nog steeds beperkt blijven tot de kern. Deze scheiding leidt tot elektronische ontkoppeling van toestanden van hogere en lagere energiegaten, die verantwoordelijk is voor de waargenomen vertraagde afkoeling."

Wat dit in de toekomst kan betekenen

Hoewel het huidige CASP-werk is gebaseerd op PbSe/CdSe-kwantumdots, het concept van "carrier-multiplication engineering" door middel van controle van intrabandkoeling is algemeen, en moet realiseerbaar zijn met andere combinaties van materialen en/of nanostructuurgeometrieën.

Jeff Pietryga, leidende CASP-chemicus zegt, "Verdere verbetering van de vermenigvuldiging van dragers zou mogelijk moeten zijn door deze nieuwe benadering te combineren met andere bewezen middelen om de opbrengst van meerdere dragers te verhogen, zoals door gebruik te maken van vormcontrole (zoals in nanostaafjes) en/of materialen waarin de afkoeling van nature al langzamer is, zoals PbTe." Samen toegepast, deze strategieën kunnen een praktische route bieden naar nanostructuren die dragervermenigvuldigingsprestaties vertonen die de limieten benaderen die worden opgelegd door energiebesparing.