Der Lichtimpuls wandelt reines Silizium von einem Halbleiter mit indirekter Bandlücke in einen Halbleiter mit direkter Bandlücke um

Untersuchungen unter der Leitung der UC Irvine zeigen, dass die optischen Eigenschaften von Materialien deutlich verbessert werden können, und zwar nicht durch die Veränderung der Materialien selbst, sondern durch die Verleihung neuer Eigenschaften des Lichts.

Die Forscher zeigten, dass sie durch die Manipulation des Impulses einfallender Photonen die Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert, grundlegend verändern könnten. Ein eindrucksvolles Beispiel für ihre Erkenntnisse ist, dass die optischen Eigenschaften von reinem Silizium, einem wesentlichen und weit verbreiteten Halbleiter, um vier Größenordnungen verbessert werden können.

Dieser Durchbruch verspricht große Fortschritte in der Solarenergieumwandlung und der Optoelektronik im Allgemeinen. Die Studie, präsentiert auf dem Cover der September-Ausgabe von ACS Nanowurde in Zusammenarbeit mit der Kasaner Bundesuniversität und der Universität Tel Aviv durchgeführt.

„In dieser Studie stellen wir die traditionelle Annahme in Frage, dass die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie ausschließlich durch das Material bestimmt werden“, sagte Dmitry Fishman, Hauptautor und Assistenzprofessor für Chemie. „Indem wir dem Licht neue Eigenschaften verleihen, können wir die Art und Weise, wie es mit der Materie interagiert, grundlegend verändern. »

„Dadurch können bestehende oder optisch ‚unterschätzte‘ Materialien Fähigkeiten erreichen, die wir nie für möglich gehalten hätten. Es ist wie das Schwingen eines Zauberstabs: Anstatt neue Materialien zu entwerfen, verbessern wir die Eigenschaften vorhandener Materialien, indem wir einfach das einfallende Licht verändern. »

„Dieses photonische Phänomen ergibt sich direkt aus Heisenbergs Unschärferelation“, erklärt Eric Potma, Co-Autor und Professor für Chemie. „Wenn Licht auf Größenordnungen kleiner als ein paar Nanometer beschränkt wird, verbreitert sich seine Impulsverteilung. Der Impulszuwachs ist so groß, dass er den von Photonen im freien Raum um das Tausendfache übersteigt und damit mit dem Impuls von Elektronen in Materialien vergleichbar ist. »

Der renommierte Chemieprofessor Ara Apkarian erklärte: „Dieses Phänomen verändert die Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert, grundlegend.“ Traditionell lehren uns Lehrbücher über vertikale optische Übergänge, bei denen ein Material Licht absorbiert und das Photon nur den Energiezustand des Elektrons ändert. »

„Impulsverstärkte Photonen können jedoch sowohl den Energiezustand als auch den Impulszustand von Elektronen verändern und so den Weg für neue Übergangswege ebnen, die wir bisher nicht in Betracht gezogen haben.“ Bildlich gesprochen können wir „den Spieß umdrehen“, denn diese Photonen ermöglichen diagonale Übergänge. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Fähigkeit eines Materials, Licht zu absorbieren oder zu emittieren. »

Fishman fährt fort: „Nehmen Sie das Beispiel von Silizium, dem zweithäufigsten Element in der Erdkruste und dem Rückgrat der modernen Elektronik. Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung absorbiert Silizium Licht nur schlecht, was seine Wirksamkeit in Geräten wie Solarpaneelen lange Zeit eingeschränkt hat.

„Das liegt daran, dass Silizium ein indirekter Halbleiter ist, was bedeutet, dass es auf Phononen (Gitterschwingungen) angewiesen ist, um elektronische Übergänge zu ermöglichen. Die Physik der Lichtabsorption in Silizium ist so, dass, während ein Photon den Energiezustand des Elektrons ändert, gleichzeitig ein Phonon erforderlich ist, um den Impulszustand des Elektrons zu ändern.

„Da die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon, ein Phonon und ein Elektron am selben Ort und zur gleichen Zeit interagieren, gering ist, sind die optischen Eigenschaften von Silizium von Natur aus schwach. Dies stellte eine große Herausforderung für die Optoelektronik dar und verlangsamte sogar den Fortschritt der Solarenergietechnologie. »

Potma betonte: „Angesichts der zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels ist der Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien dringender denn je.“ Solarenergie ist für diesen Übergang von entscheidender Bedeutung, aber die kommerziellen Solarzellen, auf die wir uns verlassen, sind dieser Aufgabe nicht gewachsen. »

„Die geringe Fähigkeit von Silizium, Licht zu absorbieren, bedeutet, dass diese Zellen dicke Schichten (fast 200 Mikrometer reines kristallines Material) benötigen, um Sonnenlicht effektiv einzufangen. Dies erhöht nicht nur die Produktionskosten, sondern schränkt auch die Effizienz aufgrund der erhöhten Trägerrekombination ein.

„Dünnschichtsolarzellen gelten weithin als Lösung für diese beiden Herausforderungen. Obwohl alternative Materialien wie Halbleiter mit direkter Bandlücke dünne Solarzellen mit Wirkungsgraden von mehr als 20 % erwiesen haben, unterliegen diese Materialien häufig einer schnellen Degradation oder sind mit hohen Produktionskosten verbunden, was sie derzeit unpraktisch macht. »

„Angetrieben vom Versprechen siliziumbasierter Dünnschicht-Photovoltaikzellen suchen Forscher seit mehr als vier Jahrzehnten nach Möglichkeiten, die Lichtabsorption in Silizium zu verbessern“, fügte Apkarian hinzu. „Aber es bleibt schwierig, wirkliche Fortschritte zu erzielen. »

Fishman fügte hinzu: „Unser Ansatz stellt einen radikal anderen Schritt nach vorne dar. Indem wir diagonale Übergänge durch impulsverstärkte Photonen ermöglichen, verwandeln wir reines Silizium effektiv von einem Halbleiter mit indirekter Bandlücke in einen Halbleiter mit direkter Bandlücke, ohne das Material selbst zu verändern. Dies führt zu einem dramatischen Anstieg der Lichtabsorptionsfähigkeit von Silizium um mehrere Größenordnungen.

„Das bedeutet, dass wir die Dicke der Siliziumschichten um den gleichen Faktor reduzieren können und so den Weg für ultradünne Geräte und Solarzellen ebnen, die aktuelle Technologien zu einem Bruchteil der Kosten übertreffen könnten.“ Da das Phänomen außerdem keine Modifikation des Materials erfordert, kann der Ansatz mit geringen oder keinen Modifikationen in bestehende Fertigungstechnologien integriert werden. »

Apkarian kommt zu dem Schluss: „Wir fangen gerade erst an, die große Bandbreite an Phänomenen zu erforschen, die mit dem Lichteinschluss auf der Nanoskala und darüber hinaus verbunden sind. Die beteiligte Physik bietet ein großes Potenzial für grundlegende und angewandte Entdeckungen. Die unmittelbaren Auswirkungen sind jedoch bereits klar. »

„Die Umwandlung von Silizium in einen Halbleiter mit direkter Bandlücke durch verstärkte photonische Impulse hat das Potenzial, die Energieumwandlung und die Optoelektronik zu revolutionieren. »

Zu den Co-Autoren dieser Studie gehörten der Junior-Chemiestudent Jovany Merham von der UC Irvine, die Forscher Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov und Elina Battalova von der Kasaner Bundesuniversität sowie die Forscher Liat Katrivas und Alexander Kotlyar von der Universität Tel Aviv.