'Bonuselektronen' in germanium nanokristallen kunnen leiden tot betere zonnecellen

Onderzoekers van het Institute of Physics van de UvA, de Stichting FOM, de TU Delft en de Universiteit van de Algarve hebben ontdekt dat germanium nanokristallen onder de invloed van licht 'bonuselektronen' opleveren. Deze extra elektronen kunnen de opbrengst van zonnecellen vergroten, of de gevoeligheid van lichtsensoren verbeteren. De onderzoekers publiceren hun werk vandaag in Light: Science & Applications.

In nanokristallen kan de absorptie van een enkel foton leiden tot meerdere aangeslagen elektronen: twee voor de prijs van één! Dit fenomeen, ladingsvermenigvuldiging, was al bekend bij silicium nanokristallen. Silicium is het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. De onderzoekers hebben nu gezien dat ladingsvermenigvuldiging ook plaatsvindt in germanium nanokristallen, waarbij de efficiëntie gemakkelijker te verbeteren is dan bij silicium nanokristallen. De ontdekking kan daardoor leiden tot betere zonnecellen.

Germanium en silicium zijn voorbeelden van halfgeleiders: materialen met een energie-bandgap, ofwel bandkloof. Wanneer deze materialen licht absorberen kunnen elektronen van de band onder de energie-gap (valentieband) naar de band boven de gap (geleidingsband) springen. Deze aangeslagen, ‘hete’ elektronen en de gaten die ze achterlaten vormen een elektrische stroom. Ze zijn de basisbrandstof van een zonnecel.

Als een geabsorbeerd foton meer energie bevat dan nodig is om een elektron over de bandgap te laten springen, kan het overschot aan energie een tweede elektron aanslaan. Uit eerder onderzoek bleek dat een bandgap-energie tussen de 0,6 en 1,0 elektronvolt ideaal is om deze ladingvermenigvuldiging tot stand te brengen.

Nanokristallen zijn extreem klein, zo’n duizend maal kleiner dan de dikte van een menselijke haar. Door hun minuscule formaat wijkt de energiestructuur van de kristallen enorm af van die van bulkmateriaal. De bandgap-energie is direct afhankelijk van de kristalgrootte. Bulk germanium heeft een bandgap-energie van 0,67 elektronvolt. Door de grootte van de germanium nanokristallen aan te passen, konden de onderzoekers deze waarde bijstellen naar energieën tussen 0,6 en 1,4 elektronvolt – binnen de ideale marges voor ladingsvermenigvuldiging, ofwel het aantal ‘bonuselektronen'.