Vedci NIM z Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) v Mníchove zistili nový účinok vo vzťahu k optickému budeniu nosičov nábojov v solárnom polovodiči. Mohlo by to uľahčiť využitie infračerveného svetla, ktoré sa zvyčajne stráca v solárnych zariadeniach.

Polovodiče sú v súčasnosti najvýznamnejšími materiálmi na premenu slnečného svetla na využiteľnú elektrickú energiu. Medzinárodná energetická agentúra (IEA) uviedla, že vlani bolo na svete inštalovaných pol milióna solárnych panelov. Solárne články na báze polovodičov však stále trpia relatívne nízkou účinnosťou premeny energie.

Dôvodom je najmä to, že polovodiče efektívne konvertujú svetlo z pomerne malej časti solárneho spektra na elektrickú energiu. Spektrálna poloha tohto okienka svetla, ktorá môže byť efektívne premenená, je silne spojená s vlastnosťou použitého polovodiča (to znamená jeho medzery v páse). To znamená, že ak je polovodič navrhnutý tak, aby absorboval žlté svetlo, svetlo s dlhšou vlnovou dĺžkou (ako je červené a infračervené svetlo) prechádza cez materiál bez vytvárania prúdov.

Okrem toho svetlo s kratšou vlnovou dĺžkou (zelené, modré a UV svetlo), ktoré je energickejšie ako žlté svetlo, stratí dodatočné množstvo energie do tepla. Získanie vyššej účinnosti premeny energie z polovodičov je preto stále veľkou výzvou.

Perovskitové nanokryštály na premenu energie

Na štúdium týchto obmedzení študovala doktorka Aurora Manziová z katedry fotoniky vedená prof. Jochenom Feldmannom meranie hustoty nosiča náboja vytvorenej absorpciou viacerých fotónov v perovskitových nanokryštáloch, nový a sľubný materiál pre fotovoltaické aplikácie.

"Viacnásobná fotonová absorpcia dlhých vlnových dĺžok s energiou nižšou ako polovičná absorpčná plocha je zvyčajne veľmi neefektívna." Zdôrazňuje Manzi, prvý autor publikácie Nature Communications a študent programu NIM absolventov. "Bol som teda úplne prekvapený, že na špecifické vlnové dĺžky excitácie sa efektívnosť tohto procesu drasticky zlepšila. Na začiatku to pre nás nemalo žiaden zmysel!"

Svetelné a excitonové "melódie" v rezonancii

Po intenzívnych diskusiách tím vedcov LMU zistil, že tieto rezonancie sa vyskytujú, keď sa stávajú násobky dvoch odlišných základných frekvencií, a to frekvencie primárnej oscilácie svetla a frekvencie pásma medzery alebo presnejšie excitónu v medzipásme.

Dalo by sa vyvodiť analógiu k rezonancii alebo prelínaniu javov v akustike, bežne používaných v hudobných nástrojoch. Keď intenzívne červené svetlo zasahuje do nanoštruktúrovaných perovskitových nanokryštálov, dochádza k procesu podobnému generácii tónov v gitarovom reťazci.

Základná vlnová dĺžka svetla generuje optické harmonické vyššieho rádu, ktoré sú podtónmi, ktorých frekvencie sú celočíselné násobky primárnej oscilácie svetla. Keď sa takýto "osvetlenie svetla" stáva rezonančným s presahom excitonickej medzery pásma, dochádza k zlepšeniu výmeny energie, čo vedie k zvýšenej tvorbe nosičov náboja alebo presnejšie k mnohonásobným excitonom v medzere pásma.

Východisko pre ďalší výskum

"Zaznamenané rezonancie sú analogické s fyzickými javmi, ktoré sa odohrávajú v dvoch rôznych strunách gitary", pokračuje Manzi. "Ak spojíme prvý reťazec s excitáciou svetla a druhý reťazec s polovodičovou excitonickou pásmovou medzerou, vieme z akustiky, že sa dostanú do rezonancie, ak určitá harmonická prvého reťazca bude zodpovedať inej harmonickej druhého reťazca. "

"Pozorovanie tohto nového fenoménu rezonancie pre optické excitácie v excitónnych polovodičoch by mohlo pripraviť cestu pre solárne články, ktoré efektívnejšie premieňajú svetlo s dlhou vlnovou dĺžkou na využiteľnú elektrickú energiu," dodáva vedúci výskumného tímu prof. Feldmann.

"Toto je vzrušujúce nové zistenie s možným vplyvom na budúce solárne zariadenia." Spoločne s našimi kolegami z výskumnej siete "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) sa teraz pokúsime vyvinúť inovatívne aplikácie tým, že budeme hrať s takýmito podtónmi.

solardayly