Stugge excitonen belemmeren geleiding in polymere halfgeleiders
Polymere halfgeleiders worden in toenemende mate een goedkoop en flexibel alternatief voor standaard halfgeleiders zoals silicium. Voor bijvoorbeeld zonnecellen zijn ze echter nog niet zo efficiënt. Wanneer licht op een polymere halfgeleider valt, gaat er maar mondjesmaat een elektrische stroom lopen. Onderzoekers van de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Delft en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben nu voor het eerst afdoende kunnen aantonen hoe dat komt. Het licht zorgt, net als in silicium, wel voor de vorming van positief en negatief geladen deeltjes in de polymere halfgeleider, maar anders dan in silicium blijven vrijwel al die deeltjes aan elkaar verbonden als zogeheten excitonen. Er ontstaan dus maar weinig vrije ladingsdragers en daarom komt er nauwelijks elektrische geleiding op gang. De oplossing moet zijn die excitonen stuk te breken. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het vaktijdschrift Physical Review Letters van 14 mei 2004.
Veel hedendaagse elektronica is gebaseerd op standaard halfgeleiders, zoals silicium. In toenemende mate komen polymere halfgeleiders op als alternatief: ze zijn als materiaal goedkoper en flexibel en in het gebruik in principe ook. Ze worden al gebruikt in opto-elektronische toepassingen zoals LED's (light emitting diodes), displays, transistors en zonnecellen. De werking van dit soort apparaten berust op de omzetting van licht in ladingsdragers (zoals in zonnecellen) of ladingsdragers in licht (zoals in LED's). Wanneer bijvoorbeeld op een silicium zonnecel licht invalt, leidt dit tot de vorming van vrije negatief geladen elektronen en positief geladen deeltjes (die gaten worden genoemd). Er worden dus ladingsdragers vrijgemaakt en daar berust de werking van de zonnecel dan ook op: onder invloed van licht komen deeltjes vrij die een elektrische stroom mogelijk maken. In een halfgeleidend polymeer kan echter ook iets anders gebeuren. Er ontstaan wel elektronen en gaten, maar ze kunnen niet altijd aan elkaar ontsnappen. Die combinatie wordt excitonen genoemd; de elektronen en gaten kunnen in dat geval niet vrij gaan bewegen, maar ze heffen elkaar ook niet op (dat proces wordt recombinatie genoemd). De ladingsdragers worden weliswaar gevormd, maar kunnen dus niet allemaal worden gebruikt om spanning op te wekken.
Verschil van mening
Eerdere metingen aan polymere halfgeleiders hebben laten zien dat na bestraling met licht zowel vrije ladingen als excitonen ontstaan. Vrije ladingen kunnen met geleidingsmetingen worden vastgesteld. Natuurkundigen noemen de polymere halfgeleider dan reëel geleidend. Ook de aanwezigheid van excitonen kan worden vastgesteld, met behulp van een uitwendig aangelegd elektrisch veld. Er gaat in dat geval echter geen elektrische stroom lopen en natuurkundigen noemen de polymere halfgeleider dan imaginair geleidend. Over de vraag hoeveel vrije ladingsdragers er in verhouding tot excitonen onder invloed van licht in een polymere halfgeleider ontstaan heerst onder vakspecialisten een verschil van mening.
Controverse beslecht
Onderzoekers van de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Delft en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben deze controverse nu beslecht. Ze zijn er met een nieuwe techniek voor het eerst in geslaagd tegelijkertijd de reële en de imaginaire geleiding in een halfgeleidende polymeer te meten. Hiermee kon worden aangetoond dat er vooral excitonen ontstaan wanneer licht op halfgeleidende polymeren valt. Om halfgeleidende polymeren bijvoorbeeld zonnecellen, moeten die excitonen dus opgesplitst worden. In verscheidene laboratoria in Nederland en daarbuiten wordt onderzocht hoe de excitonen efficiënt opgesplitst kunnen worden. Dit blijkt te kunnen door een mengsel van materialen te gebruiken, waarbij de ene component de elektronen invangt en de andere de gaten. Anders kan er nooit voldoende geleiding van de elektronen en de gaten naar de verschillende elektroden van de zonnecel ontstaan en blijft een zonnecel van een halfgeleidende polymeer niet erg efficiënt. De nieuwe bevindingen kunnen bijdragen aan het verbeteren van organische zonnecellen.