Zonnecellen en fotodetectoren kunnen binnenkort worden gemaakt van nieuwe soorten materialen op basis van halfgeleiderkwantumdots, dankzij nieuwe inzichten op basis van ultrasnelle metingen die realtime fotoconversieprocessen vastleggen.

"Onze nieuwste ultrasnelle elektro-optische spectroscopiestudies bieden ongekende inzichten in de fotofysica van kwantumstippen, " zei hoofdonderzoeker Victor Klimov, een natuurkundige gespecialiseerd in halfgeleider nanokristallen bij Los Alamos National Laboratory, "en deze nieuwe informatie helpt bij het perfectioneren van de materiaaleigenschappen voor toepassingen in praktische fotoconversie-apparaten. Onze nieuwe experimentele techniek stelt ons in staat om een ​​reeks gebeurtenissen te volgen die worden gelanceerd door femtoseconde laserpulsen en processen vast te stellen die verantwoordelijk zijn voor efficiëntieverliezen tijdens de transformatie van invallend licht in elektrische huidig."

Fotoconversie is een proces waarbij de energie van een foton, of kwantum van licht, wordt omgezet in andere vormen van energie, bijvoorbeeld, chemisch of elektrisch. Halfgeleider kwantumstippen zijn chemisch gesynthetiseerde kristallijne nanodeeltjes die al meer dan drie decennia zijn bestudeerd in de context van verschillende fotoconversieschema's, waaronder fotovoltaïsche (opwekking van foto-elektriciteit) en fotokatalyse (opwekking van "zonnebrandstoffen"). De aantrekkingskracht van kwantumdots komt van de ongeëvenaarde afstembaarheid van hun fysieke eigenschappen, die kan worden aangepast door de grootte te regelen, vorm en samenstelling van de stippen.

In Los Alamos, het onderzoek sluit aan bij de institutionele missie van het oplossen van nationale veiligheidsuitdagingen door middel van wetenschappelijke excellentie, in dit geval gericht op nieuwe fysische principes voor zeer efficiënte fotoconversie, ladingsmanipulatie in verkennende apparaatstructuren en nieuwe nanomaterialen.

Bekijk een video over kwantumstippen:

De interesse in kwantumstippen als materialen voor zonnecellen is gemotiveerd door hun afstembare optische spectra en door interessante nieuwe fysica zoals hoogrenderende vermenigvuldiging van dragers, dat is, generatie van meerdere elektron-gat-paren door enkele fotonen. Dit effect, ontdekt door Los Alamos-onderzoekers in 2004, resulteerde in een golf van activiteiten op het gebied van quantum dot-zonnecellen die de efficiëntie van praktische apparaten snel tot meer dan 10 procent opdreef.

Verdere vooruitgang op dit gebied werd belemmerd door de uitdaging om de mechanismen van elektrische geleiding in vaste kwantumdots te begrijpen en de processen die de ladingstransportafstand beperken. Een specifieke en hardnekkige uitdaging die van groot belang is vanuit het oogpunt van fotovoltaïsche (PV) toepassingen, Klimov zei, is de redenen te begrijpen die ten grondslag liggen aan een aanzienlijk verlies in fotospanning in vergelijking met voorspelde theoretische limieten - een probleem met quantum dot-zonnecellen dat bekend staat als een 'fotospanningstekort'. Los Alamos-onderzoekers van het Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) helpen bij het beantwoorden van enkele van de bovenstaande vragen.

Door een combinatie van ultrasnelle optische en elektrische technieken toe te passen, de Los Alamos-wetenschappers zijn in staat geweest om stap voor stap een reeks gebeurtenissen op te lossen die betrokken zijn bij fotoconversie in kwantumdotfilms, van het genereren van een exciton tot elektron-gatscheiding, punt-naar-punt ladingsmigratie en tenslotte recombinatie.

De hoge temporele resolutie van deze metingen (beter dan een miljardste van een seconde) stelde het team in staat om de oorzaak van een grote daling van de elektronenenergie te onthullen, die het gevolg is van zeer snelle elektronenvangst door defectgerelateerde toestanden. In het geval van praktische apparaten, dit proces zou resulteren in verminderde fotospanning. De nieuw uitgevoerde onderzoeken stellen de exacte tijdschaal vast van dit problematische vangproces en suggereren dat een matige (minder dan tienvoudige) verbetering van de elektronenmobiliteit het mogelijk zou moeten maken om fotogegenereerde ladingsdragers te verzamelen voordat ze worden ontspannen in lagere energietoestanden. Dit zou een dramatische verhoging van de fotospanning opleveren en daardoor de algehele efficiëntie van het apparaat verhogen.

Een ander interessant effect dat door deze onderzoeken aan het licht is gebracht, is de invloed van elektronen- en gat-"spins" op de fotogeleiding. Gewoonlijk worden spin-eigenschappen van deeltjes (ze kunnen worden gezien als de snelheid en richting van de deeltjesrotatie rond hun as) ingeroepen in het geval van interacties met een magnetisch veld. Echter, eerder werd gevonden dat zelfs een zwakke interactie tussen spins van een elektron en een gat (de zogenaamde "spin-exchange" interactie) een dramatisch effect heeft op de lichtemissie van de kwantumstippen.

De huidige metingen laten zien dat deze interacties ook het proces van elektron-gat-scheiding tussen aangrenzende stippen in vaste kwantumdots beïnvloeden. Specifiek suggereren deze studies dat toekomstige inspanningen voor hooggevoelige quantum-dot-fotodetectoren rekening moeten houden met het effect van uitwisselingsblokkade, die anders de fotogeleiding bij lage temperatuur zouden kunnen belemmeren.

Quantum dot-materialen vormen de kern van het onderzoek in het Los Alamos Center for Advanced Solar Photophysics, die hun toepassing op zonne-energietechnologieën heeft onderzocht, zoals luminescente zonlichtcollectoren voor zonnevensters en goedkope PV-cellen die zijn verwerkt uit kwantumdot-oplossingen.