Solceller och fotodetektorer kan snart tillverkas av nya typer av material baserade på halvledarkvantprickar, tack vare nya insikter baserade på ultrasnabba mätningar som fångar fotokonverteringsprocesser i realtid.

"Våra senaste ultrasnabba elektrooptiska spektroskopistudier ger oöverträffade insikter i kvantprickarnas fotofysik, " sa ledande forskare Victor Klimov, en fysiker specialiserad på halvledarnanokristaller vid Los Alamos National Laboratory, "och denna nya information hjälper till att fullända materialens egenskaper för tillämpningar i praktiska fotokonverteringsanordningar. Vår nya experimentella teknik gör att vi kan följa en kedja av händelser som lanseras av femtosekundlaserpulser och fastställa processer som är ansvariga för effektivitetsförluster under omvandling av infallande ljus till elektriskt ljus nuvarande."

Fotokonvertering är en process där energin hos en foton, eller ljuskvantum, omvandlas till andra energiformer, till exempel, kemiska eller elektriska. Halvledarkvantprickar är kemiskt syntetiserade kristallina nanopartiklar som har studerats i mer än tre decennier inom ramen för olika fotokonverteringssystem, inklusive fotovoltaik (generering av fotoelektricitet) och fotokatalys (generering av "solbränslen"). Attraktionskraften hos kvantprickar kommer från den oöverträffade inställningen av deras fysiska egenskaper, som kan justeras genom att styra storleken, prickarnas form och sammansättning.

I Los Alamos, forskningen ansluter till det institutionella uppdraget att lösa nationella säkerhetsutmaningar genom vetenskaplig excellens, i detta fall med fokus på nya fysiska principer för högeffektiv fotokonvertering, laddningsmanipulation i utforskande enhetsstrukturer och nya nanomaterial.

Se en video om kvantprickar:

Intresset för kvantprickar som solcellsmaterial har motiverats av deras avstämbara optiska spektra såväl som intressant ny fysik som högeffektiv bärarmultiplikation, det är, generering av flera elektron-hålpar av enstaka fotoner. Denna effekt, upptäcktes av Los Alamos-forskare 2004, resulterade i ökningen av aktiviteter inom området kvantpricksolceller som snabbt drev upp effektiviteten hos praktiska enheter till mer än 10 procent.

Ytterligare framsteg på detta område har hindrats av utmaningen att förstå mekanismerna för elektrisk konduktans i kvantprickfasta ämnen och de processer som begränsar laddningstransportavståndet. En specifik och ihållande utmaning av stor betydelse ur fotovoltaiska (PV) applikationer, Klimov sa, förstår orsakerna bakom en avsevärd förlust av fotospänning jämfört med förutspådda teoretiska gränser - ett problem med kvantpricksolceller som kallas "fotospänningsunderskott". Los Alamos-forskare vid Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) hjälper till att svara på några av ovanstående frågor.

Genom att tillämpa en kombination av ultrasnabba optiska och elektriska tekniker, forskarna från Los Alamos har kunnat lösa steg för steg en sekvens av händelser involverade i fotokonvertering i kvantprickfilmer från generering av en exciton till elektron-hålseparation, punkt-till-punkt laddningsmigrering och slutligen rekombination.

Den höga tidsupplösningen av dessa mätningar (bättre än en miljarddels sekund) gjorde det möjligt för teamet att avslöja orsaken till ett stort fall av elektronenergin, vilket är ett resultat av mycket snabb elektroninfångning av defektrelaterade tillstånd. När det gäller praktiska anordningar, denna process skulle resultera i minskad fotospänning. De nyligen genomförda studierna fastställer den exakta tidsskalan för denna problematiska fångstprocess och föreslår att en måttlig (mindre än tiofaldig) förbättring av elektronrörligheten bör möjliggöra insamling av fotogenererade laddningsbärare innan de slappnas av till lägre energitillstånd. Detta skulle ge en dramatisk ökning av fotospänningen och därför öka enhetens totala effektivitet.

En annan intressant effekt som avslöjas av dessa studier är inverkan av elektron- och hålsnurr på fotokonduktansen. Vanligtvis åberopas spinnegenskaper hos partiklar (de kan ses som hastigheten och riktningen för partikelrotation runt dess axel) i fallet med interaktioner med ett magnetfält. Dock, tidigare har man funnit att även en svag interaktion mellan spinn av en elektron och ett hål (så kallad "spin-exchange" interaktion) har en dramatisk effekt på ljusemissionen från kvantpunkterna.

De nuvarande mätningarna avslöjar att dessa interaktioner också påverkar processen för elektronhålseparation mellan intilliggande punkter i kvantprickfasta ämnen. Specifikt antyder dessa studier att framtida ansträngningar på högkänsliga kvantprickfotodetektorer bör ta hänsyn till effekten av utbytesblockad, som annars skulle kunna hämma fotokonduktans vid låg temperatur.

Quantum dot material har varit i centrum för forskningen vid Los Alamos Center for Advanced Solar Photophysics, som har undersökt deras tillämpning på solenergiteknologier såsom självlysande solljusfångare för solfönster och lågkostnads-PV-celler bearbetade från kvantpricklösningar.