Hollandi Delfit’i Tehnikaülikooli ja Belgia Toyota Euroopa uurijad lõid uue aine, mis on võimeline vabastama kolm või enam vaba elektroni iga kord, kui see haarab endasse ühe üksiku footoni. See erineb tavapärastest pooljuhtidest, mis vabastavad vaid ühe vaba elektroni ühe „neeldunud“ footoni kohta. Üliväikeste pooljuht-struktuuride, kvantpunktide baasil loodud uut ainet võib tulevikus kasutada tõhusamate päikesepatareide loomiseks.
Kvantpunktide lahused: iga värvus vastab punktide suurusele ja neist kiirguva valguse lainepikkusele. Pilt: Michiel Aerts
Iga päikesepatareisse neelduv footon vabastab tavapäraselt ühe elektroni ning positiivse laenguga augu, mis liiguvad vastassuundades. Nii tekib elektrivool. Elektroni vabanemisel eraldub aga suur osa selle kineetilisest energiast soojusena, mida ei osata kasutada elektrienergia loomiseks. Seega huvituvad uurijad uute ainete arendamisest, milles oleks võimalik püüda kinni osa või kõik muidu soojusena eralduvast energiast nii, et see raisku ei läheks, kirjutab physicsworld.com.
Üks moodus selle energia kogumiseks on kvantpunktidega õhukeste kilede kasutamine. Nendes on võimalik kohandada ühe elektroni vabanemiseks vajaminevat energia hulka, muutes kvantpunktide suurust. Seega võib üks elektron vabastada rohkem elektrone, kui see läbib kvantpunkti. Seda protsessi nimetatakse „elektronkordistuseks“ (ingl. k. „carrier multiplication“). Kahjuks ei hõlma see lähenemine tõeliselt vabu elektrone ja -auke, vaid pigem eksitone – omavahel seotud elektronide ja elektron-aukude paare. Ehkki eksitone on võimalik eraldada vabadeks laenguteks elektrivälja mõjul või kvantpunktide ühendamisel teise pooljuht-ainega, vähendavad mõlemad tehnikad seadmete tõhusust.
Nüüd aga tegi Michiel Aerts koos kolleegidega kvantpunktide kile, milles elektronkordistamise protsess toimub pigem vabade elektronidega kui eksitonidega. Plii-seleniidist valmistatud kvantpunktide läbimõõt on umbes 5 nanomeetrit. Kiled ise valmistati nii, et kvarts-substraat kasteti kvantpunktide lahusesse.
Stabiilne elektrijuht
Aertsi üheks väljakutseks oli kindlustamine, et elektronid saaksid vabalt liikuda üksikute kvantpunktide vahel. See on tavaliselt probleem, sest nanoosakesed peavad olema kaetud elektriliselt isoleeritud orgaanilise kihiga, et ennetada nende väärtuse kadu kile valmistamisel. Seega mõtles Aerts koos kolleegidega välja, kuidas eemaldada kiles olevate kvantpunktidelt orgaaniline kiht, et elektri juhtimine saaks toimuda.
Elektronkordistamise protsess algab siis, kui kvantpunkti neeldub üks footon, mis vabastab elektroni ja elektronvakantsi, mis saavad seejärel liikuda eemalolevatesse kvantpunktidesse, vabastamaks teisi elektrone ja –auke. Kilede juhtivus mõõdeti ja siis näitas teadustöö meeskond, et kui kilesid valgustada 400 nm-se ultraviolettvalgusega, vabaneb keskmiselt kolm vaba elektroni ühe neeldunud footoni kohta. See lainepikkus on nähtava spektri piiril ning seda leidub päikesevalguses külluslikult.
Aerts sõnas teadusuudisteportaalile physicsworld.com, et tema meeskond tahab nüüd valmistada nendest kiledest päikesepatareisid. Teoorias võivad sellised päikesepatareid saavutada 44%-se tõhususe, võrrelduna tavapäraste räni-päikesepatareide teoreetilise maksimumi 35%-ga. Kuigi kvantpunktidest kiled on suhteliselt odavad ja kergesti valmistatavad, on nendest seadmete valmistamine üsna keeruline, sest pliiseleniid on mürgine ning kokkupuutel õhuga, kaotavd kiirelt oma efektiivsuse.
Teadusartikkel: ,,Free charges produced by carrier multiplication in strongly coupled PbSe quantum dot films“