Materialet belyses med fotoner. I några av germanium nanokristallerna, fotonerna gör att elektroner exciteras, och därmed bilda ett elektron-hål (e-h) par. Det finns två möjligheter. (1) Den inkommande fotonen har en energi i intervallet mellan en och två gånger bandgapsenergin. Ett e-h-par bildas. (2) Den inkommande fotonen har en energi på mer än två gånger bandgapsenergin. Överskottsenergin hos elektronen – den "kinetiska" energin hos elektronen som exciteras högt upp i ledningsbandet – är tillräcklig för att skapa ett andra e-h-par i samma nanokristall. På det sättet, bärarmultiplikation uppnås. Kredit:Fundamental Research on Matter (FOM)
Forskare från FOM, universitetet i Amsterdam, Delft University of Technology och University of the Algarve har upptäckt att när ljus träffar germanium nanokristaller, kristallerna producerar "bonuselektroner". Dessa ytterligare elektroner kan öka utbytet av solceller och förbättra känsligheten hos fotodetektorer. Forskarna kommer att publicera sitt arbete i Ljus:Vetenskap och tillämpningar i dag.
I nanokristaller, absorptionen av en enda foton kan leda till excitation av flera elektroner:två för en! Detta fenomen, känd som bärarmultiplikation, var redan välkänd i kisel nanokristaller. Kisel är det mest använda materialet i solceller. Dock, forskarna fann att bärarförökning också förekommer i germanium nanokristaller, som är mer lämpade för att optimera effektiviteten än kisel nanokristaller. Deras upptäckt kan leda till bättre solceller.
Halvledarfysik
Germanium och kisel är exempel på halvledare:material som har ett energibandgap. När dessa material absorberar ljus, elektroner från bandet under detta energigap (valensband) hoppar till bandet ovanför gapet (ledningsbandet). Dessa exciterade "heta" elektroner och hålen de lämnar efter sig kan skördas för att bilda en elektrisk ström. De utgör grundbränslet för en solcell.
Nanokristaller och bärarmultiplikation
Om en absorberad foton innehåller mer energi än vad en elektron behöver för att hoppa över bandgapet, överskottsenergin kan användas för att excitera en andra elektron. Tidigare forskning har visat att en bandgapenergi från 0,6 till 1,0 elektronvolt är idealisk för att uppnå denna bärarmultiplikation.
Nanokristaller är extremt små, ungefär tusen gånger mindre än bredden på ett människohår. På grund av deras storlek, kristallernas energistruktur skiljer sig dramatiskt från bulkmaterialets. Faktiskt, bandgapenergin beror på nanokristallstorleken. Bulk germanium har ett energibandgap på 0,67 elektronvolt. Genom att justera germanium nanokristallernas storlek, forskarna kan ändra bandgap-energin till värden mellan 0,6 och 1,4 elektronvolt. Detta är inom det idealiska området för att optimera bärvågsmultiplikation, eller mängden "bonuselektroner".
Utför experimentet
För att undersöka bärarförökning i nanokristaller, forskarna använde en optisk teknik som kallas pump-probe spektroskopi. En initial laserpuls, kallade pumpen, avger fotoner som exciterar nanokristallen genom att skapa en fri elektron i ledningsbandet. En andra puls av fotoner, kallas sonden, kan sedan absorberas av denna elektron.
Forskarna fann att om energin i pumpfoton är dubbelt så stor som bandgap -energin hos germanium -nanokristaller, sondljuset absorberas av två elektroner istället för en. Denna effekt är det välkända fingeravtrycket för bärarförökning. Med andra ord, om pumpfotonen bär tillräckligt med energi, den heta elektronen innehåller tillräckligt med överskottsenergi för att excitera en andra elektron i samma nanokristall. Genom att använda denna bärarmultiplikation, germanium nanokristaller kan hjälpa till att uppnå maximal effektivitet hos solceller.
