Nanoschaal-drielaag vertoont ultrasnelle ladingsoverdracht in halfgeleidermaterialen

Voor het succesvol innoveren van opto-elektronische halfgeleiderapparaten is het van groot belang dat ladingen en excitonen (elektron-gatparen) in specifieke richtingen worden verplaatst om brandstoffen of elektriciteit te creëren.

Bij fotosynthese absorberen pigmentmoleculen zonne-energie en brengen deze over naar een reactiecentrum, waar de energie wordt omgezet en gebruikt. Terwijl dit proces plaatsvindt, genereren fotonen elektron-gatparen die gescheiden moeten worden om chemische reacties te initiëren.

Geïnspireerd door het natuurlijke proces van fotosynthese, ontwikkelden onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) een mixed-dimensionality (2D/1D/2D) trilayer van halfgeleiders om exciton-dissociatie mogelijk te maken. Deze exciton-dissociatiestap, een splitsing en ruimtelijke scheiding van geëxciteerde elektron-gatparen, is een microscopisch proces dat fundamenteel is voor de prestaties van fotovoltaïsche systemen.

Onderzoekers beschrijven de bevindingen in een artikel getiteld “Ultrasnelle ladingsoverdrachtcascade in een nanoschaal-drielaag met gemengde dimensies” gepubliceerd in ACS Nano.

Naarmate de transitie naar schone energie vordert, zijn ontwikkelingen in fotovoltaïsche systemen, die zonlicht omzetten in elektriciteit, cruciaal. Fotovoltaïsche systemen vertrouwen op de door licht geactiveerde creatie van gescheiden elektron-gatparen om een ​​extern circuit aan te sturen.

“In deze studie konden we lichtgeactiveerde elektrongatparen creëren en deze gedurende een langere tijd van elkaar scheiden, langer dan eerder gerapporteerde soortgelijke systemen”, aldus Alexis Myers, een onderzoeker in opleiding bij NREL.

Laagdimensionale materialen bieden mogelijkheden voor excitonoverdrachtsonderzoek

De diverse en instelbare elektronische en optische eigenschappen van kwantumbegrensde laagdimensionale materialen zoals tweedimensionale (2D) overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s) en eendimensionale (1D) enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT’s) maken ze tot uitstekende kandidaten voor fundamentele studies naar lading- en excitonoverdracht.

Deze typen materialen hebben verbeterde elektron-gat Coulomb-interacties, waarbij de elektrostatische kracht ervoor zorgt dat de aantrekkingskracht tussen een elektron en een elektrongat een exciton vormt. Om de ladingen te scheiden, moeten onderzoekers de aantrekkingskracht overwinnen, wat moeilijker wordt gemaakt door de grote bindingsenergieën.

Deze materialen vertonen grote excitonbindingsenergieën, de energie die nodig is voor excitondissociatie, die de generatie van elektrische stromen voor fotovoltaïsche cellen, fotodetectoren en sensoren of chemische bindingen in zonnebrandstofschema’s kunnen remmen. Daarom probeerden NREL-onderzoekers een hetero-trilaag te ontwikkelen die deze uitdaging zou aanpakken.

“Het verlengen van de levensduur van ladingsscheiding is noodzakelijk om de kans op ladingsextractie te vergroten”, aldus Myers.

“De creatie van bilagen en trilagen komt voort uit deze wens om de afstand tussen gescheiden ladingen te vergroten. Het is echter onduidelijk in de literatuur of de ‘gescheiden’ ladingen nog steeds elektrostatisch gebonden zijn over de interface. Dus, hoewel gescheiden, is de Coulomb-interactie nog steeds aanwezig, wat de levensduur van ladingscheiding kan verkorten.

“In de drielaagslaag konden we de bewegingen van elektronen en gaten door elke laag heen volgen, waarmee we konden bevestigen dat ze inderdaad niet langer aan elkaar gebonden zijn.”

Door de levensduur van ladingsscheidingen te verlengen, is een betere opwekking van elektrische stroom mogelijk

Complexe, laagdimensionale heterostructuren, zoals TMDC’s, hebben een langere levensduur en initiëren belangrijke fotochemische reacties, die van cruciaal belang zijn voor het opwekken van elektriciteit in fotovoltaïsche cellen.

Alexis Myers en haar team ontwikkelden een hetero-drielaag van SWCNT’s met gemengde dimensies tussen twee halfgeleiders. Deze laag maakt een foto-geïnduceerde ladingsoverdrachtcascade mogelijk, waarbij elektronen (negatieve ladingdragers) in één richting bewegen, terwijl gaten (positieve ladingdragers) in de andere richting bewegen.

De hetero-trilaag bootst de natuurlijke ladingsoverdrachtcascade na die wordt waargenomen in de fotosynthese van planten, die de ontwikkeling ervan inspireerde. Een belangrijk onderdeel van de heterostructuur is de eendimensionale middelste laag, die de ladingsdragers helpt om efficiënt van de ene 2D-laag naar de andere te diffunderen.

De studie keek ook naar de mechanica van dragerdiffusie in TMDC’s. Met behulp van transiënte absorptiespectroscopie volgden onderzoekers excitondissociatie en ladingsdiffusie over de hetero-trilaag, waarbij ze ultrasnelle elektronenoverdracht naar de ene laag en gatoverdracht naar de andere observeerden.

De drielaagse architectuur lijkt een supersnelle gatoverdracht en excitondissociatie te vergemakkelijken, wat resulteert in een langdurige ladingsscheiding.

De ladingsoverdrachtcascade maakt een aangeslagen toestand mogelijk, waarbij elektronen en gaten zich op afzonderlijke plaatsen in de trilaag bevinden, waar fotochemische reacties kunnen worden geïnitieerd. Langere levensduur van ladingsscheiding kan leiden tot een grotere elektrische stroomopwekking, omdat er niet meer elektronen en gaten zijn gerecombineerd.

De trilayer produceerde een dubbele drageropbrengst vergeleken met een 2D/1D bilayer. Het gaf de gescheiden ladingen ook de mogelijkheid om de interlayer exciton bindingsenergieën van ongebonden gescheiden ladingen te overwinnen, een belangrijke uitdaging met dergelijke materialen.

“Deze materialen hebben een sterke elektrostatische interactie tussen het elektron en het gat, maar we hebben aangetoond dat we ze succesvol kunnen scheiden door efficiënte diffusie langs het SWCNT-netwerk”, aldus Alejandra Hermosilla Palacios van NREL, een postdoctoraal onderzoeker in materiaalkunde.

“Kinetische analyse van de verschillende stappen is nodig om de efficiëntie in deze systemen te begrijpen. We hebben ons vooral gericht op de diffusie van ladingen dankzij de SWCNT’s. We willen begrijpen hoe ladingen diffunderen of bewegen in de TMDC-laag om betere nieuwe systemen voor te stellen die kunnen leiden tot hogere efficiënties – meer gegenereerde elektronen en gaten – en zelfs langer levende ladingen (kans op hogere elektrische stroomopwekking).”

Bij eerdere ladingsoverdrachtcascades is het mechanisme voor de ladingsoverdracht onduidelijk of verloopt het niet zoals verwacht.

“Onze resultaten suggereren dat goed gedefinieerde ladingsoverdrachtscascades kunnen resulteren in langere levensduur van gescheiden ladingen en een hogere ladingsopbrengst (of efficiënte overdracht). Dit maakt de weg vrij voor een beter begrip van hoe ladingen door deze systemen bewegen en hoe we ze verder kunnen optimaliseren”, aldus Myers.

Verdere studies: Toekomstige innovatie

De onderzoeksresultaten positioneren deze nanoschaalmodellen voor verdere fundamentele studies van de mechanica van dragerdynamiek. De verbeterde ladingdrageropbrengst suggereert toekomstige toepassingen in geavanceerde opto-elektronische systemen. “Het doel is om elke stap van het fotovoltaïsche proces te blijven deconvolueren om de optimalisatie te bevorderen,” aldus Myers.

“Onze resultaten laten veelbelovende implicaties zien voor de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten op nanoschaal, zoals zonnecellen en zonnebrandstofarchitecturen”, aldus Hermosilla Palacios.

“Heterostructuren met gemengde dimensies vertonen fotofysische en technologische voordelen die innovatie in opto-elektronica kunnen verbeteren en versnellen.”