NIM-forskare från LMU München har hittat en ny effekt när det gäller optisk excitation av laddningsbärare i en solhalvledare. Det kan underlätta användningen av infrarött ljus, som normalt går förlorad i solenergiapparater.

Halvledare är numera de mest framträdande materialen för att omvandla solljus till användbar elektrisk energi. Internationella energibyrån (IEA) rapporterade att en halv miljon solpaneler installerades varje dag runt om i världen förra året. Dock, halvledarbaserade solceller lider fortfarande av relativt låg energiomvandlingseffektivitet. Anledningen till det ligger främst i det faktum att halvledare effektivt omvandlar ljuset från en ganska liten del av solspektrumet till elektrisk kraft. Den spektrala positionen för detta ljusfönster som effektivt kan omvandlas är starkt relaterad till en egenskap hos den inblandade halvledaren (det vill säga, dess bandgap). Detta innebär att, om halvledaren är konstruerad för att absorbera gult ljus, ljus med längre våglängd (som rött och infrarött ljus), kommer att passera genom materialet utan att producera strömmar. Dessutom, ljus med kortare våglängd (grönt, blått och UV-ljus), som är mer energisk än gult ljus, kommer att förlora sin extra mängd energi till värme. Att få högre energiomvandlingseffektivitet från halvledare är därför fortfarande en stor utmaning.

Perovskite nanokristaller för energiomvandling

För att studera dessa begränsningar, Aurora Manzi, en Ph.D. student från lärostolen för fotonik under ledning av prof. Jochen Feldmann, har mätt laddningsbärardensiteten som skapas av absorptionen av flera fotoner i perovskit-nanokristaller, ett nytt och lovande material för solcellsapplikationer.

"Multipelfotonabsorption av långvågigt ljus med en energi lägre än halvledarabsorptionsfönstret är vanligtvis mycket ineffektivt." framhäver Manzi, första författare till publikationen i Naturkommunikation och en student på NIMs forskarutbildning. "Jag blev därför helt förvånad över att observera att för specifika excitationsvåglängder blir effektiviteten av denna process drastiskt förbättrad. I början var detta inte meningsfullt för oss!"

Ljus och exciton "övertoner" i resonans

Efter intensiva diskussioner, teamet av LMU-forskare insåg att dessa resonanser uppstår när multiplar av två distinkta fundamentala frekvenser blir lika, nämligen den för frekvensen för den primära ljusoscillationen och den för frekvensen för bandgapet eller mer exakt för excitonen vid bandgapet.

Man skulle kunna dra en analogi till resonans- eller övertonsfenomen inom akustik, används ofta i musikinstrument. När intensivt rött ljus träffar nanostrukturerade perovskit nanokristaller, en process som liknar genereringen av övertoner i en gitarrsträng äger rum. Den grundläggande ljusvåglängden genererar optiska övertoner av högre ordning, som är övertoner vars frekvenser är heltalsmultiplar av den primära ljusoscillationen. När en sådan "lätt överton" blir resonant med en överton av det excitoniska bandgapet, energiutbytet förbättras, vilket leder till en ökad generering av laddningsbärare eller mer exakt av flera excitoner vid bandgapet.

Utgångspunkt för vidare forskning

"De observerade resonanserna är analoga med de fysiska fenomen som äger rum i två olika strängar på en gitarr", fortsätter Manzi. "Om vi ​​associerar den första strängen till ljusexcitationen och den andra strängen till det excitoniska halvledarbandsgapet, Vi vet från akustiken att de kommer i resonans om en viss överton i den första strängen matchar en annan överton i den andra strängen."

"Observationen av detta nya resonansfenomen för optiska excitationer i excitoniska halvledare kan bana väg för solceller att mer effektivt omvandla långvågigt ljus till användbar elektrisk kraft", tillägger prof. Feldmann, ledaren för forskargruppen. "Detta är ett spännande nytt fynd med en möjlig påverkan för framtida solenergienheter. Tillsammans med våra kollegor från forskningsnätverket "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), vi kommer nu att försöka utveckla innovativa applikationer genom att leka med sådana övertoner."