Energie van hete elektronen eenvoudig opgevangen

Kort & bondig

Zonnepanelen moeten precies de juiste hoeveelheid lichtenergie opvangen om goed te kunnen werken. Alleen dan wordt alle energie omgezet in stroom. Als de energiepakketjes van het licht, de fotonen, te weinig energie hebben gaan ze dwars door de panelen heen. Als ze te veel energie hebben, ontstaan ‘hete elektronen’ met extra veel energie, maar daarvan gaat een flink deel verloren als warmte. Er zijn verschillende trucs bedacht om de energie van hete elektronen toch helemaal op te vangen. Nu hebben RUG-onderzoekers samen met collega’s uit Singapore ontdekt dat dit ook lukt door eenvoudigweg twee materialen te combineren. De extra energie wordt dan omgezet in stroom, niet in warmte. Op die manier is het in de toekomst wellicht mogelijk de efficiëntie van zonnepanelen verder te verbeteren.

Halfgeleiders kunnen energie van licht (de fotonen) omzetten in een elektrische stroom. Maar sommige fotonen bevatten meer energie dan het materiaal kan absorberen. Door deze fotonen ontstaan ‘hete elektronen’, waarvan de extra energie snel wordt omgezet in warmte. Materiaalwetenschappers zoeken naar manieren om deze extra energie toch op te vangen en in stroom om te zetten. Onderzoekers van de RUG hebben nu, samen met collega’s van de Nanyang Technological University (Singapore), ontdekt dat dit eenvoudiger is dan werd aangenomen. Dat deden ze door een perovskiet halfgeleider te combineren met een materiaal dat hete elektronen opvangt. Hun onderzoek is op 15 november gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

In zonnecellen absorberen halfgeleiders lichtenergie. Maar dat kan alleen wanneer de energiepakketjes (fotonen) waar het licht uit bestaat precies de groot genoeg zijn: met te weinig energie vliegen ze door het materiaal heen, met te veel energie gaat een deel verloren als warmte. De juiste hoeveelheid door de zogeheten bandkloof, een waarde die bepaald wordt door het materiaal.

Nanodeeltjes

‘De extra energie in hete elektronen, die ontstaan door het opvangen van fotonen met veel energie, verdwijnt snel als warmte in het materiaal’, legt Maxim Pshenichnikov uit. Hij is hoogleraar ultrasnelle spectroscopie aan de RUG. Om alle energie van hete elektronen op te vangen is materiaal nodig met een grotere bandkloof. Maar daarvoor moeten de hete elektronen naar dit materiaal toe worden geleid voordat ze de energie hebben afgegeven als warmte. Onderzoekers die met dit probleem bezig zijn proberen dan ook het verlies van energie te vertragen, bijvoorbeeld door het materiaal in nanodeeltjes op te splitsen. ‘In nanodeeltjes zijn er voor de elektronen minder mogelijkheden om de energie als warmte af te geven’, legt Pshenichnikov uit.

Laserlicht

Samen met collega’s van de Nanyang Technological University, waar hij de afgelopen drie jaar als ‘visiting professor’ een aantal keren verbleef, bestudeerde Pshenichnikov een systeem waarin een zogeheten perovskiet halfgeleider is gecombineerd met de organische stof bathophenanthorline (bphen), een materiaal met een grote bandkloof. De onderzoekers gebruikten laserlicht om elektronen uit het perovskiet een energiestoot te geven, waarna ze het gedrag van deze hete elektronen konden bestuderen.

‘We gebruikten een methode om de elektronen in twee stappen meer energie te geven, waarbij we ze op een schaal van femtoseconden konden volgen’, vertelt Pshenichnikov. Op deze manier konden ze elektronen uit het perovskiet een hoeveelheid energie geven die net boven de bandkloof van bphen lag, zonder dat ze elektronen in het bphen zelf aansloegen. Op die manier kwamen alle hete elektronen in dit materiaal uit het perovskiet.

Barrière

De experimenten lieten zien dat hete elektronen uit perovskiet snel en gemakkelijk door bphen werden geabsorbeerd. ‘Dat gebeurde zonder dat we de elektronen vertraagden, en in gewoon materiaal. Dus zonder extra trucjes konden we hete elektronen opvangen.’ De onderzoekers merkten wel dat de energie van de elektronen net iets groter moest zijn dan de bandkloof. ’Dat hadden we niet verwacht. Blijkbaar is er extra energie nodig om een barrière op de grens tussen beide materialen te doorbreken.’

Op deze manier hebben de onderzoeker laten zien dat het mogelijk is om hete elektronen uit perovskieten op te vangen. Pshenichnikov: ‘De experimenten zijn uitgevoerd met een realistische hoeveelheid energie, vergelijkbaar met zichtbaar licht. De volgende uitdaging is om een echte zonnecel te bouwen waarin we beide materialen combineren.’

Referentie: Swee Sien Lim, David Giovanni, Qiannan Zhang, Ankur Solanki, Nur Fadilah Jamaludin, Jia Wei Melvin Lim, Nripan Mathews, Subodh Mhaisalkar, Maxim S. Pshenichnikov and Tze Chien Sum: Hot carrier extraction in CH₃NH₃PbI₃ unveiled by pump-push-probe spectroscopy. Science Advances, 15 November 2019.