Onderzoeksdoorbraak FOM AMOLF: bevrijding van elektronen in quantumdot zonnecellen

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF hebben samen met collega’s uit Parijs en Marseille een nieuwe methode ontwikkeld om inzicht te krijgen in de manier waarop elektronen bewegen en gevangen raken in quantumdot zonnecellen. Quantumdot kristallen absorberen heel efficiënt licht en zijn daardoor veelbelovende materialen voor toepassing in dunnere, goedkopere zonnecellen. Het onderzoeksteam publiceerde deze resultaten op 30 september 2013 in ACS Nano.

Quantumdot materialen bestaan uit zeer kleine nanokristallen van bijvoorbeeld lood- en zwavelatomen. Deze kristalletjes zijn zo klein dat elektronen hierin bijzondere quantummechanische eigenschappen krijgen: de elektronen zijn opgesloten in een zogenaamde driedimensionale quantumput. Het gevolg van deze quantumopsluiting is dat de elektronen zeer bepaalde (gequantiseerde) energieën bezitten en heel efficiënt zichtbaar licht kunnen absorberen. Binnen een zonnecel moet stroom lopen wat betekent dat de elektronen efficiënt van quantumdot naar quantumdot moeten springen, om uiteindelijk bij de elektrode terecht te komen. De efficiëntie van quantumdot zonnecellen is momenteel nog niet erg hoog, omdat de elektronen onderweg vaak op een bepaalde plek vast komen te zitten (in een val worden gevangen) en daardoor de elektrode niet bereiken.

Op zoek naar verloren elektronen
Tot nu toe was onduidelijk hoe en waar de elektronen vast komen te zitten. De AMOLF-onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om daar meer inzicht in te krijgen.  Ze beschenen de gevangen elektronen met een ultrakorte infrarode lichtpuls. Als het infrarode licht voldoende energie bevat, wordt het elektron bevrijd en springt het verder tot het alsnog de elektrode bereikt. De stroom door de zonnecel neemt daardoor toe.

De onderzoekers varieerden de timing en de frequentie van de infrarode lichtpuls om meer informatie over de vastzittende en bewegende elektronen te krijgen. Tot hun verrassing bleken er verschillende vangmechanismes voor elektronen te bestaan. Een deel van de elektronen bleek vrijwel direct nadat ze vrijkwamen weer vast te zitten. Andere elektronen reisden langere tijd door de zonnecel en werden pas veel later in een diepe val gevangen waaruit ze niet meer konden ontsnappen. De onderzoekers ontdekten ook dat ze het gedrag van de elektronen konden beïnvloeden door de quantumdot kristalletjes te voorzien van een schil van organische moleculen.

Toekomst
De quantumdot kristalletjes kunnen worden opgelost in een soort inkt die op een geleidende laag kan worden geprint. Zo kunnen op een snelle manier goedkope, lichte en flexibele zonnepanelen worden gefabriceerd. Dankzij de verkregen inzichten kunnen onderzoekers de volgende generaties quantumdot zonnecellen een hogere efficiëntie geven. Het onderzoek draagt dus bij aan de ontwikkeling van duurzame energiebronnen met behulp van nanotechnologie.

Het onderzoek maakt deel uit van het programma van de FOM-focusgroep 'Light management in new photovoltaicmaterials'. De eerste auteur, dr. Artem Bakulin heeft het onderzoek met een Veni-subsidie van NWO uitgevoerd.