Halvledare omvandlar energi från fotoner (ljus) till en elektronström. Dock, vissa fotoner bär för mycket energi för att materialet ska kunna absorbera. Dessa fotoner producerar "heta elektroner, " och överskottsenergin från dessa elektroner omvandlas till värme. Materialforskare har letat efter sätt att skörda denna överskottsenergi. Forskare från University of Groningen och Nanyang Technological University (Singapore) har nu visat att detta kan vara lättare än väntat av kombinerar en perovskit med ett acceptormaterial för heta elektroner. Deras principbevis publicerades i Vetenskapliga framsteg den 15 november.

I fotovoltaiska celler, halvledare kommer att absorbera fotonenergi, men bara från fotoner som har rätt mängd energi:för lite, och fotonerna passerar rakt igenom materialet; för mycket, och överskottsenergin går förlorad som värme. Rätt mängd bestäms av bandgapet:skillnaden i energinivåer mellan den högsta ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) och den lägsta lediga molekylära orbitalen (LUMO).

Nanopartiklar

"Överskottsenergin från heta elektroner som produceras av högenergifotonerna absorberas mycket snabbt av materialet som värme, " förklarar Maxim Pshenichnikov, professor i ultrasnabb spektroskopi vid universitetet i Groningen. För att helt fånga energin från heta elektroner, material med större bandgap måste användas. Dock, detta betyder att de heta elektronerna bör transporteras till detta material innan de förlorar sin energi. Den nuvarande allmänna strategin för att skörda dessa elektroner är att bromsa förlusten av energi, till exempel, genom att använda nanopartiklar istället för bulkmaterial. "I dessa nanopartiklar, det finns färre alternativ för elektronerna att frigöra överskottsenergin som värme, " förklarar Pshenichnikov.

Tillsammans med kollegor från Nanyang Technological University, där han varit gästprofessor de senaste tre åren, Pshenichnikov studerade ett system där en organisk-oorganisk hybrid perovskit halvledare kombinerades med den organiska föreningen bathophenanthroline (bphen), ett material med stort bandgap. Forskarna använde laserljus för att excitera elektroner i perovskiten och studerade beteendet hos de heta elektroner som genererades.

Barriär

"Vi använde en metod som kallas pump-push probing för att excitera elektroner i två steg och studera dem på femtosekunds tidsskalor, " förklarar Pshenichnikov. Detta gjorde det möjligt för forskarna att producera elektroner i perovskiterna med energinivåer strax över bandgapet för bphen, utan exciterande elektroner i bphen. Därför, alla heta elektroner i detta material skulle ha kommit från perovskiten.

Resultaten visade att heta elektroner från perovskithalvledaren lätt absorberades av bphen. "Detta hände utan att behöva sakta ner dessa elektroner, och dessutom, i bulkmaterial. Så utan några knep, de heta elektronerna skördades." forskarna märkte att energin som krävdes var något högre än bphen-bandgapet. "Detta var oväntat. Tydligen, lite extra energi behövs för att övervinna en barriär vid gränssnittet mellan de två materialen. "

Ändå, studien ger ett bevis på principen för skörd av heta elektroner i bulk perovskit-halvledarmaterial. Pshenichnikov säger, "Experimenten utfördes med en realistisk mängd energi, jämförbar med synligt ljus. Nästa utmaning är att konstruera en riktig enhet med denna kombination av material."