FOM: 'Twee voor de prijs van één: bonuselektronen kunnen leiden tot betere zonnecellen'

Deze extra elektronen kunnen de opbrengst van zonnecellen vergroten of de gevoeligheid van lichtsensoren verbeteren. De onderzoekers publiceren hun werk in Light: Science & Applications.

In nanokristallen kan de absorptie van een enkel foton leiden tot meerdere aangeslagen elektronen: twee voor de prijs van één. Dit fenomeen, ladingsvermenigvuldiging, was al bekend bij silicium nanokristallen. Silicium is het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. De onderzoekers hebben nu gezien dat ladingsvermenigvuldiging ook plaatsvindt in germanium nanokristallen, waarbij de efficiëntie gemakkelijker te verbeteren is dan bij silicium nanokristallen. De ontdekking kan daardoor leiden tot betere zonnecellen.

Nanokristallen zijn extreem klein, zo’n duizend maal kleiner dan de dikte van een menselijke haar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de kristallen enorm af van die van bulkmateriaal. D Om ladingsvermenigvuldiging in nanokristallen te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers een optische techniek die pump-probe spectroscopie heet. Een eerste laserpuls, de pump, zendt fotonen uit die het nanokristal aanslaan door één elektron in de geleidingsband te brengen. Een tweede puls van fotonen, de probe, kan dan door dit elektron geabsorbeerd worden.

De onderzoekers ontdekten dat als de energie van de pump-foton tweemaal zo groot is als de bandgap-energie van de germanium nanokristallen, het probe-licht geabsorbeerd wordt door twee elektronen in plaats van door een. Dit effect is de welbekende vingerafdruk van landingsvermenigvuldiging. Met andere woorden, als de pump-foton voldoende energie bevat, dan heeft het aangeslagen elektron voldoende energie over om een tweede elektron in hetzelfde nanokristal aan te slaan. Met behulp van deze ladingsvermenigvuldiging kunnen germanium nanokristallen meehelpen om de maximale efficiëntie van zonnecellen te bereiken.