Lichtimpuls macht aus reinem Silizium einen Halbleiter mit indirekter Bandlücke zu einem mit direkter Bandlücke

Von der UC Irvine geleitete Forschungen zeigen, dass die optischen Eigenschaften von Materialien erheblich verbessert werden können – und zwar nicht durch eine Veränderung der Materialien selbst, sondern indem man dem Licht neue Eigenschaften verleiht.

Die Forscher zeigten, dass sie durch Manipulation des Impulses eingehender Photonen die Wechselwirkung von Licht mit Materie grundlegend verändern konnten. Ein eindrucksvolles Beispiel ihrer Erkenntnisse ist, dass die optischen Eigenschaften von reinem Silizium, einem weit verbreiteten und unverzichtbaren Halbleiter, um erstaunliche vier Größenordnungen verbessert werden können.

Dieser Durchbruch verspricht eine Revolution in der Solarenergieumwandlung und der Optoelektronik insgesamt. StudieTitelgeschichte der Septemberausgabe von ACS Nanowurde in Zusammenarbeit mit der Kazan Federal University und der Tel Aviv University durchgeführt.

„In dieser Studie stellen wir die traditionelle Ansicht in Frage, dass Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie ausschließlich durch das Material bestimmt werden“, sagte Dmitry Fishman, Hauptautor und außerordentlicher Professor für Chemie. „Indem wir dem Licht neue Eigenschaften verleihen, können wir seine Wechselwirkung mit Materie grundlegend verändern.“

„Dadurch können bestehende oder optisch ‚unterschätzte‘ Materialien Fähigkeiten erreichen, die wir nie für möglich gehalten hätten. Es ist, als würden wir mit einem Zauberstab winken – anstatt neue Materialien zu entwickeln, verbessern wir die Eigenschaften bestehender Materialien einfach durch die Veränderung des einfallenden Lichts.“

„Dieses photonische Phänomen resultiert direkt aus der Heisenbergschen Unschärferelation“, sagte Eric Potma, Co-Autor und Professor für Chemie. „Wenn Licht auf Skalen kleiner als ein paar Nanometer beschränkt ist, weitet sich seine Impulsverteilung. Der Impulsanstieg ist so stark, dass er den von Photonen im freien Raum um den Faktor Tausend übertrifft und damit mit den Elektronenimpulsen in Materialien vergleichbar ist.“

Ara Apkarian, ein renommierter Professor für Chemie, erläuterte dies ausführlich und sagte: „Dieses Phänomen verändert grundlegend die Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert. Traditionell lehren uns Lehrbücher vertikale optische Übergänge, bei denen ein Material Licht absorbiert, wobei das Photon nur den Energiezustand des Elektrons verändert.

„Impulsverstärkte Photonen können jedoch sowohl den Energie- als auch den Impulszustand von Elektronen verändern und so neue Übergangswege freischalten, die wir bisher nicht in Betracht gezogen hatten. Bildlich gesprochen können wir das Lehrbuch ‚kippen‘, da diese Photonen diagonale Übergänge ermöglichen. Dies hat dramatische Auswirkungen auf die Fähigkeit eines Materials, Licht zu absorbieren oder zu emittieren.“

Fishman fuhr fort: „Nehmen wir beispielsweise Silizium – das zweithäufigste Element in der Erdkruste und das Rückgrat der modernen Elektronik. Trotz seiner weit verbreiteten Verwendung absorbiert Silizium Licht schlecht, was seine Effizienz in Geräten wie Solarmodulen lange Zeit begrenzt hat.

„Das liegt daran, dass Silizium ein indirekter Halbleiter ist, was bedeutet, dass es auf Phononen (die Gitterschwingungen) angewiesen ist, um elektronische Übergänge zu ermöglichen. Die Physik der Lichtabsorption in Silizium ist derart, 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 Photon, Phonon und Elektron am selben Ort und zur selben Zeit interagieren, gering ist, sind die optischen Eigenschaften von Silizium von Natur aus schwach. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für die Optoelektronik dar und hat sogar den Fortschritt in der Solarenergietechnologie verlangsamt.“

Potma betonte: „Angesichts der sich verschärfenden Auswirkungen des Klimawandels ist es dringender denn je, von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien umzusteigen. Solarenergie ist bei diesem Übergang von zentraler Bedeutung, doch die kommerziellen Solarzellen, auf die wir angewiesen sind, reichen nicht aus.“

„Die schlechte Lichtabsorptionsfähigkeit von Silizium bedeutet, dass diese Zellen dicke Schichten – fast 200 Mikrometer reines kristallines Material – benötigen, um Sonnenlicht effektiv einzufangen. Dies treibt nicht nur die Produktionskosten in die Höhe, sondern begrenzt auch die Effizienz aufgrund der erhöhten Trägerrekombination.

„Dünnschicht-Solarzellen werden allgemein als Lösung für beide dieser Herausforderungen angesehen. Während alternative Materialien wie Halbleiter mit direkter Bandlücke dünne Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 20 % hervorgebracht haben, neigen diese Materialien oft entweder zu einer schnellen Degradation oder sind mit hohen Produktionskosten verbunden, was sie derzeit unpraktisch macht.“

„Geleitet vom Versprechen der Dünnschicht-Photovoltaik auf Si-Basis haben Forscher seit mehr als vier Jahrzehnten nach Möglichkeiten gesucht, die Lichtabsorption in Silizium zu verbessern“, fügte Apkarian hinzu. „Aber ein echter Durchbruch ist bislang ausgeblieben.“

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

„Das bedeutet, dass wir die Dicke der Siliziumschichten um den gleichen Faktor reduzieren können. Damit öffnen wir die Tür zu ultradünnen Geräten und Solarzellen, die aktuelle Technologien zu einem Bruchteil der Kosten übertreffen könnten. Da das Phänomen zudem keine Änderungen am Material erfordert, kann der Ansatz mit wenig bis gar keinen Modifikationen in bestehende Fertigungstechnologien integriert werden.“

Apkarian schloss mit den Worten: „Wir beginnen gerade erst, die große Bandbreite an Phänomenen zu erforschen, die mit der Lichteindämmung im Nanobereich und darüber hinaus verbunden sind. Die zugrundeliegende Physik bietet großes Potenzial für grundlegende und angewandte Entdeckungen. Die unmittelbaren Auswirkungen sind jedoch bereits jetzt klar.“

„Die Umwandlung von Silizium in einen Halbleiter mit direkter Bandlücke durch erhöhten Photonenimpuls hat das Potenzial, die Energieumwandlung und Optoelektronik zu revolutionieren.“

Zu den Co-Autoren dieser Studie gehörten Jovany Merham, ein Nachwuchsspezialist für Chemie an der UC Irvine, die Forscher Sergey Kharintsev, Aleksey Noskov und Elina Battalova von der Kazan Federal University sowie die Forscher Liat Katrivas und Alexander Kotlyar von der Universität Tel Aviv.