Vier pulsen van laserlicht op fotocellen van nanodeeltjes in een spectroscopie-experiment van de Universiteit van Oregon hebben een venster geopend over hoe gevangen zonlicht kan worden omgezet in elektriciteit.

Het werk, die mogelijk apparaten zouden kunnen inspireren met een verbeterde efficiëntie bij de conversie van zonne-energie, werd uitgevoerd op fotocellen die loodsulfide-kwantumdots gebruikten als fotoactief halfgeleidermateriaal. Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in een paper dat online is geplaatst door het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In het bestudeerde proces, elk afzonderlijk foton, of deeltje zonlicht, dat wordt geabsorbeerd, creëert mogelijk meerdere energiepakketten die excitonen worden genoemd. Deze pakketten kunnen vervolgens meerdere vrije elektronen genereren die elektriciteit opwekken in een proces dat bekend staat als multiple exciton generation (MEG). In de meeste zonnecellen, elk geabsorbeerd foton creëert slechts één potentieel vrij elektron.

Het genereren van meerdere excitonen is interessant omdat het kan leiden tot zonnecellen die meer elektrische stroom opwekken en efficiënter maken. Het UO-werk werpt nieuw licht op het weinig begrepen proces van MEG in nanomaterialen.

Hoewel wetenschappers het potentiële belang van MEG bij de conversie van zonne-energie ter discussie stellen, het UO-spectroscopie-experiment - aangepast in samenwerking met wetenschappers van de Zweedse universiteit van Lund - zou nuttig moeten zijn voor het bestuderen van vele andere processen in fotovoltaïsche nanomaterialen, zei Andrew H. Marcus, hoogleraar fysische chemie en hoofd van de afdeling Scheikunde en Biochemie van de UO.

Spectroscopische experimenten die eerder door Marcus waren ontworpen om tweedimensionale fluorescentiespectroscopie van biologische moleculen uit te voeren, werden aangepast om ook fotostroom te meten. "Bij spectroscopie draait alles om licht en moleculen en wat ze samen doen, "Zei Marcus. "Het is echt een geweldige sonde die ons helpt te vertellen over het reactiepad dat het begin van een chemisch of fysiek proces met het einde verbindt.

"De aanpak is vergelijkbaar met kijken hoe moleculen samenkomen in DNA, maar in plaats daarvan keken we naar interacties binnen halfgeleidermaterialen, " zei Marcus, een filiaal in UO's Institute of Molecular Biology, Materials Science Institute en Oregon Center for Optics. "Onze methode maakte het mogelijk om te kijken naar elektronische paden die betrokken zijn bij het creëren van meerdere excitonen. Het bestaan ​​van dit fenomeen was alleen afgeleid door indirect bewijs. We denken dat we de eerste stappen hebben gezien die hebben geleid tot MEG-gemedieerde fotogeleiding."

Door de gecontroleerde volgorde van laserpulsen kon het zevenkoppige onderzoeksteam - in femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde) - de komst van licht zien, de interactie met rustende elektronen en de daaropvolgende omzetting in meerdere excitonen. Het gecombineerde gebruik van fotostroom en fluorescentie tweedimensionale spectroscopie, Marcus zei, leverde aanvullende informatie over de reactieroute.

UO co-auteur Mark C. Lonergan, hoogleraar fysische en materiaalchemie, die elektrische en elektrochemische verschijnselen bestudeert in vastestofsystemen, vergeleek de processen die worden waargenomen met mensen die zich door een maïsdoolhof bewegen dat één ingang en drie uitgangen heeft.

Mensen die het doolhof binnenkomen zijn fotonen. Degenen die snel vertrekken vertegenwoordigen geabsorbeerde fotonen die onbruikbare warmte genereren. Mensen die de tweede uitgang verlaten, vertegenwoordigen andere geabsorbeerde fotonen die fluorescentie genereren, maar geen bruikbare vrije elektronen. Mensen die de laatste uitgang verlaten, duiden op bruikbare elektrische stroom.

"De vraag waarin we geïnteresseerd zijn, is hoe het doolhof er precies uitziet, " zei Lonergan. "Het probleem is dat we geen goede technieken hebben om in het doolhof te kijken om de mogelijke paden erdoorheen te ontdekken. De technieken die Andy heeft ontwikkeld, stellen ons in feite in staat om in het doolhof te kijken door te coderen wat er uit het systeem komt in termen van wat er precies in gaat. We kunnen visualiseren wat er aan de hand is, of twee mensen die in het doolhof kwamen elkaar op een bepaald moment de hand schudden en details over het pad dat hen leidde om uit de elektriciteitsuitgang te komen."

Het project begon toen Tonu Pullerits, die ultrasnelle fotochemie bestudeert in moleculaire halfgeleidermaterialen aan de universiteit van Lund, benaderde Marcus over het gebruik van zijn spectroscopisch systeem om naar zonnematerialen te kijken. Khadga J. Karki, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Pullerits, bezocht vervolgens de UO en werkte samen met de groepen Marcus en Lonergan om de apparatuur opnieuw te configureren.