Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory, University College London, och Florida International University har bestämt hur ett visst oxidmaterial, lantankromoxid (LCO), interagerar med synligt och ultraviolett ljus.
Absorption av ljus av vissa typer av material resulterar i omvandling av ljusenergi till elektrisk energi, en process av stor betydelse inom energiteknik. Solen är riklig i synligt ljus som ser grönt ut för ögat, och att kunna omvandla solljus till elektricitet leder till en fri, ren energikälla som inte lämnar några koldioxidavtryck. Sådana energikällor är viktiga för en säker, säkra, och miljövänlig energiframtid, något som borde vara av intresse för varje amerikan.
Endast vissa typer av material kan absorbera ljus och omvandla ljuset till elektricitet. Dessa material kallas halvledare. "Semi" är ett latinskt prefix som betyder "halv". Så, en halvledare kan ses som en halv eller delvis ledare för elektricitet, i förhållande till metaller, som är utmärkta ledare av el. Anledningen till att en halvledare bara är en partiell ledare för elektricitet är att dess energiband, eller orbitaler, där elektroner bor, är uppdelade i två typer. Det ena kallas valensbandet (VB). Elektroner i VB är inte mobila och därför, kan inte leda el. Det andra kallas ledningsbandet (CB), och elektroner i CB är mobila. I halvledare, koncentrationen av elektroner i CB är låg jämfört med den i metaller, resulterar i partiell ledning. VB och CB separeras med en fast energimängd, kallade bandgapet. Om en halvledare bestrålas med ljus vars energi är större än bandgapet, elektroner kan absorbera ljuset och lyftas från VB till CB, vilket resulterar i ljusinducerad elektrisk konduktivitet. Att hitta sätt att ändra egenskaperna hos halvledare så att de absorberar ljus i specifika energiområden är mycket viktigt i solceller, vetenskapen om ljus-till-el-energiomvandling.
Material som är av aktuellt intresse för solceller inkluderar ofta atomer som är giftiga eller sällsynta. Dessa inkluderar gallium, arsenik, kadmium och tellur. Dessutom, ytorna på dessa fotovoltaiska material reagerar med syre i atmosfären och bildar oxider, som ändrar deras egenskaper på sätt som gör dem mindre användbara för solcellsteknologi. En ideal klass av material för framtida solcellstillämpningar är metalloxiderna, specifikt komplexa metalloxider. Dessa material kan tillverkas av rikligt, billiga atomer, och är stabila i luften eftersom de redan är oxider. Dock, de optiska egenskaperna hos de mest komplexa oxiderna är själva ganska komplexa, och mycket dåligt förstådd. Att få en detaljerad förståelse för en sådan oxid, LCO, är fokus för denna studie.
Lagets tillvägagångssätt var att göra ultrarent LCO genom att avsätta separata balkar av lantan, krom, och syreatomer på ett fast underlag, med hjälp av en process som kallas molekylär stråleepitaxi. De strålade sedan ljus på LCO -filmen och varierade ljusets energi, spänner över de synliga och nära ultravioletta delarna av det elektromagnetiska spektrumet. De bestämde energierna vid vilka ljuset absorberades av LCO. Ljusabsorptionsspektrumet är ganska komplext, och det är inte möjligt att förstå ursprunget till de olika absorptionstopparna utan hjälp av teoretiska beräkningar. För detta ändamål, laget utförde en detaljerad uppsättning teoretiska beräkningar där de simulerade ljusabsorberingsprocessen i LCO för olika ljusenergier. Genom att göra det kunde de i detalj bestämma vilka delar av CB och VB i LCO som var involverade i specifika absorptionshändelser. Det de lärde sig var ganska överraskande. Tidigare experimentella undersökningar ledde till slutsatsen att början av elektrisk konduktivitet inträffar för en ljusenergi på ~ 3,3 elektronvolt. Teamets kombinerade experimentella och teoretiska undersökning visade att början av elektrisk konduktivitet faktiskt inträffar för en mycket högre ljusenergi, ~ 4,8 elektronvolt. Absorptionsegenskaperna vid lägre energier (till exempel 3,3 elektronvolt) beror faktiskt på lokaliserade excitationer som inte leder till att elektricitet leds över LCO, och misstolkades i tidigare studier.
Denna undersökning är en del av en större studie som syftar till att flytta bandgapet för LCO till lägre värden, där solen är rikligare i solljus. Lagets strategi är att ersätta några av lantanatomerna i LCO med strontiumatomer. I gränsen för 100% ersättning av lantan med strontium, vi får strontiumkromoxid, som är en metall. De preliminära resultaten indikerar att när andelen lantan ersatt med strontium ökar, bandgapet minskar verkligen till det önskade intervallet. Detta resultat, om det visar sig vara reproducerbart, betyder att strontium lantan kromoxid är en attraktiv kandidat för en avstämbar bandgapoxid halvledare som skulle vara användbar för solceller, eller "lättskörd" -teknologi.
