Forschung & Entwicklung

Optische Obertöne in Perowskit-Halbleitern

Ein neu entdeckter Effekt bei der optischen Anregung von Ladungsträgern in solar einsetzbaren Halbleitern könnte in Solarzellen dazu führen, dass auch Infrarotlicht in elektrische Energie umgesetzt wird.

Heutzutage stellen Halbleiter die wichtigste Materialgruppe für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie dar. Allerdings zeigen halbleiterbasierte Solarzellen immer noch eine relativ geringe Effizienz bei der Energieumwandlung. Denn bis jetzt können entsprechende Halbleiter nur einen relativ kleinen Ausschnitt des Lichtspektrums mit hoher Effizienz in elektrische Energie umwandeln.

Die Position dieses Fensters im Lichtspektrum hängt dabei von der Bandlücke des Halbleiters ab. Wenn beispielsweise ein Halbleiter gewählt wird, dessen Bandlücke im gelben Spektralbereich liegt, so passiert das Licht aus dem längeren Wellenlängenbereich, also Rot und Infrarot, diesen Halbleiter ungenutzt. Kurzwelligeres Licht, also grünes, blaues oder UV-Licht, welches eine höhere Energie besitzt als gelbes Licht, verliert dagegen seine überschüssige Energie in Form von Wärme. Eine höhere Effizienz bei der Energieumwandlung mittels Halbleitern zu erzielen, ist also immer noch eine große Herausforderung.

Aurora Manzi, Wissenschaftlerin am Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), hat sich mit diesen Grenzen der Nutzbarkeit des optischen Spektrums im Rahmen ihrer Doktorarbeit beschäftigt. Hierzu hat sie die Absorption mehrerer Photonen in CsPbBr3-Nanokristallen mit Perowskitstruktur analysiert. Normalerweise sei die Absorption mehrerer Photonen aus dem langwelligen Lichtbereich, also mit Energien unterhalb der Bandlücke des Halbleiters, sehr ineffizient, hebt Aurora Manzi hervor. Sie beobachtete jedoch, dass dieser Prozess bei bestimmten Anregungswellenlängen plötzlich sehr viel effizienter wird.

Das Forscherteam erkannte, dass diese Resonanzen immer dann auftreten, wenn die Vielfachen zweier bestimmter Frequenzen übereinstimmen, die der primären Lichtschwingung und die der Bandlücke, oder exakter die des Exzitons an der Bandlücke. Man kann dieses Phänomen mit der Resonanz von akustischen Obertönen vergleichen, die in vielen Musikinstrumenten genutzt wird. Wenn intensives rotes Licht auf einen nanostrukturierten Halbleiter mit Perowskitstruktur gerichtet wird, dann tritt ein Prozess auf, der analog zu der Erzeugung von Obertönen bei einer Gitarrensaite beschrieben werden kann. Die zugrundeliegende Wellenlänge des Lichts erzeugt optische Schwingungen von höherer Ordnung, Lichtobertöne, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der primären Lichtschwingung sind. Tritt ein solcher Lichtoberton nun in Resonanz mit einem Oberton der Exzitonbandlücke, so wird der Energieaustausch erhöht und führt an der Bandlücke zur verstärkten Erzeugung von Ladungsträgern, genauer gesagt von Exzitonen.

Die Beobachtung dieses Resonanzphänomens für die optische Anregung von exzitonischen Halbleitern könnte den Weg für effizientere Solarzellen ebnen, die langwelliges Licht in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Zusammen mit Kollegen des Forschungsnetzwerks „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTech) werde versucht, durch Spielen mit Obertönen innovative Anwendungen zu entwickeln.

Originalveröffentlichung:

[A. Manzi, Y. Tong, J. Feucht, E.-P. Yao, L. Polavarapu, A. S. Urban, J. Feldmann, Resonantly enhanced multiple exciton generation through below-band-gap multi-photon absorption in perovskite nanocrystals, Nat. Commun. 9 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-03965-8]

von mn

www.uni-muenchen.de

www.soltech-go-hybrid.de

© photonik.de 2018 - Alle Rechte vorbehalten