Onderzoekers van FOM, de Universiteit van Amsterdam, de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van de Algarve hebben ontdekt dat wanneer licht germanium nanokristallen raakt, de kristallen produceren 'bonuselektronen'. Deze extra elektronen zouden de opbrengst van zonnecellen kunnen verhogen en de gevoeligheid van fotodetectoren kunnen verbeteren. De onderzoekers publiceren hun werk in Licht:wetenschap en toepassingen vandaag.

In nanokristallen, de absorptie van een enkel foton kan leiden tot de excitatie van meerdere elektronen:twee voor één! Dit fenomeen, bekend als dragervermenigvuldiging, was al bekend in silicium nanokristallen. Silicium is het meest gebruikte materiaal in zonnecellen. Echter, vonden de onderzoekers dat dragervermenigvuldiging ook voorkomt in germanium nanokristallen, die meer geschikt zijn voor het optimaliseren van de efficiëntie dan silicium nanokristallen. Hun ontdekking zou kunnen leiden tot betere zonnecellen.

Halfgeleiderfysica

Germanium en silicium zijn voorbeelden van halfgeleiders:materialen met een energiebandgap. Wanneer deze materialen licht absorberen, elektronen van de band onder deze energiekloof (valentieband) springen naar de band boven de spleet (geleidingsband). Deze opgewonden 'hete' elektronen en de gaten die ze achterlaten, kunnen worden geoogst om een ​​elektrische stroom te vormen. Ze vormen de basisbrandstof voor een zonnecel.

Nanokristallen en dragervermenigvuldiging

Als een geabsorbeerd foton meer energie bevat dan een elektron nodig heeft om over de bandgap te springen, de overtollige energie kan worden gebruikt om een ​​tweede elektron te exciteren. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat een bandgap-energie van 0,6 tot 1,0 elektronvolt ideaal is om deze dragervermenigvuldiging te bereiken.

Nanokristallen zijn extreem klein, ongeveer duizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Door hun grootte, de energiestructuur van de kristallen is dramatisch verschillend van die van bulkmateriaal. In feite, de bandgap-energie hangt af van de nanokristalgrootte. Bulkgermanium heeft een energiebandgap van 0,67 elektronvolt. Door de grootte van de germanium nanokristallen af ​​te stemmen, de onderzoekers kunnen de bandgap-energie veranderen in waarden tussen 0,6 en 1,4 elektronvolt. Dit is binnen het ideale bereik voor het optimaliseren van carrier vermenigvuldiging, of de hoeveelheid 'bonuselektronen'.

Het experiment uitvoeren

Om carrier-vermenigvuldiging in nanokristallen te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een optische techniek genaamd pomp-sonde spectroscopie. Een eerste laserpuls, de pomp genoemd, zendt fotonen uit die het nanokristal exciteren door één vrij elektron in de geleidingsband te creëren. Een tweede puls van fotonen, riep de sonde, kan dan door dit elektron worden geabsorbeerd.

De onderzoekers ontdekten dat als de energie van het pompfoton twee keer zo groot is als de bandgap-energie van de germanium-nanokristallen, het sondelicht wordt geabsorbeerd door twee elektronen in plaats van één. Dit effect is de bekende vingerafdruk van dragervermenigvuldiging. Met andere woorden, als het pompfoton voldoende energie draagt, het hete elektron bevat genoeg overtollige energie om een ​​tweede elektron in hetzelfde nanokristal te exciteren. Met behulp van deze dragervermenigvuldiging, germanium nanokristallen kunnen helpen om de maximale efficiëntie van zonnecellen te bereiken.