Fotovoltaïsche magie van quantum dots ontmaskerd
Het rendement van een zonnecel wordt bepaald door de hoeveelheid elektronen die door het licht worden vrijgemaakt. Een belangrijke beperking van huidige zonnecellen is dat er per geabsorbeerd lichtdeeltje (foton) maar één elektron wordt gegenereerd. Het werd altijd aangenomen dat in halfgeleider nanokristallen, quantum dots, méér elektronen per foton gegenereerd konden worden dan in bulk materiaal. Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam, de universiteit van Lille (Frankrijk) en de Ben-Gurion Universiteit in Israël laten nu zien dat er, in tegenstelling tot alle verwachtingen, in bulk materiaal juist méér vrije elektronen per foton kunnen worden gecreëerd dan in quantum dots. Deze observatie heeft verregaande implicaties voor quantum dot zonnecellen. De FOM-onderzoekers publiceren hun bevindingen in Nature Physics.
Zonnecellen berusten op het fotovoltaïsche effect waarbij absorptie van fotonen in een materiaal leidt tot vrije elektronen die stroom kunnen leveren. De efficiëntie van zonnecellen wordt in belangrijke mate beperkt door het gegeven dat per geabsorbeerd foton slechts één elektron wordt gegenereerd. Dat is een beperking omdat zichtbare fotonen in principe meer dan genoeg energie bezitten om twee à drie elektronen vrij te maken. Die ongebruikte fotonenergie gaat verloren als warmte.
Carrier Multiplication via Quantum Dots
Er bestaat echter een proces waarbij hete elektronen hun overmaat aan energie wél op een nuttige manier kunnen gebruiken: 'Carrier Multiplication'. In dit proces draagt een geëxciteerd elektron zijn extra energie over aan een tweede electron dat zo kan bijdragen aan de fotostroom. Helaas is Carrier Multiplication in de meeste materialen niet erg efficiënt. Daarom proberen veel onderzoekers nieuwe materialen te vinden waarin Carrier Multiplication wel efficiënt kan plaatsvinden. Eén strategie die de afgelopen jaren erg succesvol leek was het gebruik van Quantum Dots (QD's). In verschillende publicaties werden uitzonderlijk hoge Carrier Multiplication-efficiënties gerapporteerd, tot zelfs zeven vrije elektronen per foton. Dit zou het gevolg zijn van speciale nano-effecten, die plaatsvinden wanneer elektronen worden opgesloten in het kleine QD volume. Quantum Dots leken dus ideaal om zonnecellen efficiënter te maken: met dezelfde input van licht veel hogere fotostromen in QD zonnecellen.
Controverse
Er ontstond echter al snel een controverse: Carrier Multiplication in QD's leek toch niet zo efficiënt als in eerste instantie gedacht, en het was niet duidelijk wat het achterliggende fysische mechanisme was. De controverse liep zo hoog op, dat het wetenschappelijke tijdschrift Science er afgelopen december een editorial aan besteedde, die na heftige bezwaren van betrokken wetenschappers weer gecorrigeerd werd. De essentie van de controverse was dat het niet duidelijk was óf, en zo ja waarom, Carrier Multiplication efficiënter was in QD's dan in bulk materiaal. Tot dusver werd aangenomen dat dit berustte op bepaalde nano-effecten. QD's zijn speciaal omdat elektronen als het ware opgesloten zitten in het QD nanokristal, waardoor ze veel sterker met elkaar wisselwerken dan in het overeenkomstige bulk materiaal; dat zou Carrier Multiplication efficiënter maken. Voor de materialen waarvan de onderzochte QD's waren gemaakt, lood sulfide (PbS) en lood selenide (PbSe), was de bulk efficiëntie van Carrier Multiplication echter nooit gemeten. Zodoende wist men eigenlijk helemaal niet of de nano-effecten van QD's werkelijk tot een verhoging van de Carrier Multiplication-efficiëntie leidden.
Nieuwe inzichten
Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF in Amsterdam hebben nu de Carrier Multiplication-efficiëntie bepaald in bulk PbS en PbSe. Met behulp van een unieke experimentele methode wisten ze de fotostroom te bepalen, enkele picoseconden nadat het materiaal was aangeslagen met licht van een specifieke golflengte. Door de fotostroom (die schaalt met het aantal vrije elektronen) te correleren aan het aantal geabsorbeerde fotonen, was het mogelijk het aantal vrije elektronen per geabsorbeerd foton te bepalen voor verschillende kleuren licht.
De uitkomst was verrassend: Carrier Multiplication blijkt in de bulk zelfs efficiënter dan in QD's van hetzelfde materiaal. Samenwerking met Franse theoretici maakte duidelijk waarom dit zo was: hoewel elektronen in QD's inderdaad sterkere interactie vertonen met andere elektronen, wordt dit effect meer dan opgeheven door een tweede effect, namelijk de speciale energiestructuur van QD's. In QD's zijn er veel minder energieniveaus aanwezig dan in bulk materiaal, waardoor het minder waarschijnlijk wordt dat de afkoelingsenergie van een geëxciteerd elektron precies gelijk is aan de energie die nodig is om een elektron in de grondtoestand aan te slaan. Dit maakt het moeilijk te voldoen aan de wet van behoud van energie, en daarmee gaat de waarschijnlijkheid van Carrier Multiplication in QD's omlaag.
Door de uitkomsten van dit onderzoek moeten de verwachtingen over efficiënte Carrier Multiplication in QD's drastisch worden bijgesteld. Het is hoogst onwaarschijnlijk dat Carrier Multiplication nog een bijdrage kan leveren aan efficiënte QD zonnecellen. QD's zijn echter ook om andere redenen interessant voor zonnecellen. De uitkomst van dit onderzoek betekent dan ook niet dat QD's zonder meer zijn afgeschreven als toekomstige zonnecel-materialen.
Het onderzoek is mede gefinancierd door het Joint Solar Programme (JSP) van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), gesteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het JSP is mede gefinancierd door het gebied Chemische Wetenschappen van NWO en de Stichting Shell Research. Het onderzoek is gedeeltelijk financieel ondersteund door de Israel Science Foundation.
Referentie
'Assessment of carrier-multiplication efficiency inbulk PbSe and PbS', J.J.H. Pijpers1, R. Ulbricht1, K.J. Tielrooij1, A. Osherov2, Y. Golan2, C. Delerue3, G. Allan3 and M. Bonn1, Nature Physics, 6 September 2009.
1FOM Institute for Atomic and Molecular Physics, Amsterdam,
2Department of Materials Engineering and the Ilse Katz Institute for Nanoscience and Nanotechnology, Ben-Gurion University of the Negev,
3Département ISEN, Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (UMR CNRS 8520), Lille Cedex.
Meer informatie
Ir. J. (Joep) Pijpers, FOM-Instituut AMOLF, telefoon (020) 608 12 34.
Prof.dr. M. (Mischa) Bonn, FOM-Instituut AMOLF, (020) 608 12 34.