Il materiale è illuminato con fotoni. In alcuni dei nanocristalli di germanio, i fotoni provocano l'eccitazione degli elettroni, e quindi formano una coppia elettrone-lacuna (e-h). Ci sono due possibilità. (1) Il fotone in arrivo ha un'energia nell'intervallo tra una e due volte l'energia del bandgap. Si forma una coppia e-h. (2) Il fotone in arrivo ha un'energia di più di due volte l'energia del bandgap. L'energia in eccesso dell'elettrone - l'energia "cinetica" dell'elettrone che è eccitato in alto nella banda di conduzione - è sufficiente per creare una seconda coppia e-h nello stesso nanocristallo. In quel modo, si ottiene la moltiplicazione delle portanti. Credito:ricerca fondamentale sulla materia (FOM)
Ricercatori della FOM, l'Università di Amsterdam, la Delft University of Technology e l'Università dell'Algarve hanno scoperto che quando la luce colpisce i nanocristalli di germanio, i cristalli producono "elettroni bonus". Questi elettroni aggiuntivi potrebbero aumentare la resa delle celle solari e migliorare la sensibilità dei fotorivelatori. I ricercatori pubblicheranno il loro lavoro in Luce:scienza e applicazioni oggi.
Nei nanocristalli, l'assorbimento di un singolo fotone può portare all'eccitazione di più elettroni:due per uno! Questo fenomeno, nota come moltiplicazione dei portatori, era già ben noto nei nanocristalli di silicio. Il silicio è il materiale più comunemente usato nelle celle solari. Però, i ricercatori hanno scoperto che la moltiplicazione dei portatori si verifica anche nei nanocristalli di germanio, che sono più adatti per ottimizzare l'efficienza rispetto ai nanocristalli di silicio. La loro scoperta potrebbe portare a celle solari migliori.
Fisica dei semiconduttori
Germanio e silicio sono esempi di semiconduttori:materiali che hanno un gap energetico. Quando questi materiali assorbono la luce, gli elettroni dalla banda al di sotto di questo gap energetico (banda di valenza) saltano alla banda al di sopra del gap (banda di conduzione). Questi elettroni "caldi" eccitati e i buchi che lasciano possono essere raccolti per formare una corrente elettrica. Costituiscono il combustibile di base per una cella solare.
Nanocristalli e moltiplicazione dei portatori
Se un fotone assorbito contiene più energia di quanta ne richieda un elettrone per superare il bandgap, l'energia in eccesso può essere utilizzata per eccitare un secondo elettrone. Ricerche precedenti hanno dimostrato che un'energia bandgap da 0,6 a 1,0 elettronvolt è l'ideale per ottenere questa moltiplicazione del vettore.
I nanocristalli sono estremamente piccoli, circa mille volte più piccolo della larghezza di un capello umano. A causa delle loro dimensioni, la struttura energetica dei cristalli è drammaticamente diversa da quella del materiale sfuso. Infatti, l'energia del bandgap dipende dalla dimensione del nanocristallo. Il germanio sfuso ha una banda proibita energetica di 0,67 elettronvolt. Regolando le dimensioni dei nanocristalli di germanio, i ricercatori possono modificare l'energia del bandgap a valori compresi tra 0,6 e 1,4 elettronvolt. Questo rientra nell'intervallo ideale per ottimizzare la moltiplicazione dei portatori, o la quantità di "elettroni bonus".
Esecuzione dell'esperimento
Per studiare la moltiplicazione dei portatori nei nanocristalli, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica ottica chiamata spettroscopia a pompa di sonda. Un impulso laser iniziale, chiamato la pompa, emette fotoni che eccitano il nanocristallo creando un elettrone libero nella banda di conduzione. Un secondo impulso di fotoni, chiamato sonda, può quindi essere assorbito da questo elettrone.
I ricercatori hanno scoperto che se l'energia del fotone della pompa è il doppio dell'energia del bandgap dei nanocristalli di germanio, la luce della sonda viene assorbita da due elettroni invece di uno. Questo effetto è la ben nota impronta digitale della moltiplicazione dei portatori. In altre parole, se il fotone della pompa trasporta energia sufficiente, l'elettrone caldo contiene energia in eccesso sufficiente per eccitare un secondo elettrone nello stesso nanocristallo. Usando questa moltiplicazione portante, i nanocristalli di germanio possono aiutare a raggiungere la massima efficienza delle celle solari.
