Nanoskalige Dreifachschicht zeigt ultraschnellen Ladungstransfer in Halbleitermaterialien

Die erfolgreiche Innovation optoelektronischer Halbleiterbauelemente hängt in hohem Maße davon ab, Ladungen und Exzitonen (Elektron-Loch-Paare) in bestimmte Richtungen zu bewegen, um Brennstoffe oder Elektrizität zu erzeugen.

Bei der Photosynthese absorbieren Pigmentmoleküle Sonnenenergie und übertragen sie an ein Reaktionszentrum, wo die Energie umgewandelt und genutzt wird. Bei diesem Prozess erzeugen Photonen Elektronen-Loch-Paare, die getrennt werden müssen, um chemische Reaktionen auszulösen.

Inspiriert vom natürlichen Prozess der Photosynthese entwickelten Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) eine dreischichtige Halbleiterschicht mit gemischter Dimensionalität (2D/1D/2D), um die Exzitonendissoziation zu ermöglichen. Dieser Exzitonendissoziationsschritt, eine Aufspaltung und räumliche Trennung angeregter Elektronen-Loch-Paare, ist ein mikroskopischer Prozess, der für die Leistung von Photovoltaiksystemen von grundlegender Bedeutung ist.

Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel „Ultraschnelle Ladungstransferkaskade in einer gemischtdimensionalen dreischichtigen Nanostruktur“ veröffentlicht in ACS Nano.

Im Zuge der Energiewende sind Fortschritte bei Photovoltaiksystemen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, von entscheidender Bedeutung. Photovoltaiksysteme basieren auf der lichtaktivierten Erzeugung getrennter Elektronen-Loch-Paare, um einen externen Schaltkreis anzutreiben.

„In dieser Studie konnten wir lichtaktivierte Elektronen-Loch-Paare erzeugen und sie für lange Zeit trennen, länger als bei ähnlichen Systemen, über die zuvor berichtet wurde“, sagte Alexis Myers vom NREL, ein Doktorand.

Niedrigdimensionale Materialien bieten Möglichkeiten zur Untersuchung des Exzitonentransfers

Die vielfältigen und abstimmbaren elektronischen und optischen Eigenschaften quantenbeschränkter niedrigdimensionaler Materialien wie zweidimensionaler (2D) Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) und eindimensionaler (1D) einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) machen sie zu erstklassigen Kandidaten für grundlegende Studien zum Ladungs- und Exzitonentransfer.

Diese Arten von Materialien weisen verstärkte Elektron-Loch-Coulomb-Wechselwirkungen auf, bei denen die elektrostatische Kraft die Anziehung zwischen einem Elektron und einem Elektronenloch zur Bildung eines Exzitons bewirkt. Um die Ladungen zu trennen, müssen die Forscher die Anziehung überwinden, was durch die großen Bindungsenergien noch schwieriger wird.

Diese Materialien weisen hohe Exzitonen-Bindungsenergien auf – die Energie, die für die Exzitonen-Dissoziation benötigt wird –, was die Erzeugung von elektrischen Strömen für Photovoltaik, Fotodetektoren und Sensoren oder chemische Bindungen in Solarbrennstoffsystemen hemmen kann. Daher versuchten die Forscher des NREL, eine Hetero-Trilayer-Schicht zu entwickeln, die diese Herausforderung bewältigen würde.

„Eine Verlängerung der Lebensdauer der Ladungstrennung ist notwendig, um die Chance der Ladungsextraktion zu erhöhen“, sagte Myers.

„Die Schaffung von Doppel- und Dreifachschichten beruht auf dem Wunsch, den Abstand zwischen getrennten Ladungen zu vergrößern. In der Literatur ist jedoch unklar, ob die ‚getrennten‘ Ladungen über die Schnittstelle hinweg noch elektrostatisch gebunden sind. Obwohl sie also getrennt sind, ist die Coulomb-Wechselwirkung immer noch vorhanden, was die Lebensdauer der Ladungstrennung verkürzen kann.

„In der Dreifachschicht konnten wir die Bewegungen der Elektronen und Löcher sequenziell durch jede Schicht verfolgen und so bestätigen, dass sie tatsächlich nicht mehr aneinander gebunden sind.“

Eine längere Lebensdauer der Ladungstrennung ermöglicht eine bessere Stromerzeugung

Komplexe, niedrigdimensionale Heterostrukturen – wie TMDCs – weisen eine längere Lebensdauer auf und lösen wichtige photochemische Reaktionen aus, die für die Stromerzeugung in der Photovoltaik entscheidend sind.

Alexis Myers und sein Team entwickelten eine gemischtdimensionale Hetero-Dreischicht aus SWCNTs zwischen zwei Halbleitern, die eine photoinduzierte Ladungstransferkaskade ermöglicht, bei der sich Elektronen (negative Ladungsträger) in eine Richtung bewegen, während sich Löcher (positive Ladungsträger) in die andere Richtung bewegen.

Die Hetero-Trilayer ahmt die natürliche Ladungstransferkaskade nach, die bei der Photosynthese von Pflanzen beobachtet wird und die als Inspiration für ihre Entwicklung diente. Ein wichtiger Teil der Heterostruktur ist die eindimensionale Mittelschicht, die den Ladungsträgern hilft, effizient von einer 2D-Schicht zur anderen zu diffundieren.

Die Studie untersuchte auch die Mechanismen der Trägerdiffusion in TMDCs. Mithilfe transienter Absorptionsspektroskopie verfolgten die Forscher die Exzitonendissoziation und Ladungsdiffusion über die Hetero-Trilayer und beobachteten ultraschnellen Elektronentransfer zu einer Schicht und Lochtransfer zur anderen.

Die Dreischichtarchitektur scheint einen ultraschnellen Lochtransfer und eine Exzitonendissoziation zu ermöglichen, was zu einer langlebigen Ladungstrennung führt.

Die Ladungsübertragungskaskade ermöglicht einen angeregten Zustand, in dem sich Elektronen und Löcher an getrennten Stellen innerhalb der Dreifachschicht befinden und in dem photochemische Reaktionen eingeleitet werden können. Längere Lebensdauern der Ladungstrennung könnten eine stärkere Stromerzeugung bedeuten, da nicht mehr Elektronen und Löcher rekombiniert sind.

Die Dreifachschicht erzeugte im Vergleich zu einer 2D/1D-Doppelschicht die doppelte Ladungsträgerausbeute. Sie ermöglichte es den getrennten Ladungen auch, die Exzitonenbindungsenergien zwischen den Schichten ungebundener getrennter Ladungen zu überwinden, was bei solchen Materialien eine zentrale Herausforderung darstellt.

„Diese Materialien weisen eine hohe elektrostatische Wechselwirkung zwischen Elektronen und Löchern auf, dennoch haben wir gezeigt, dass wir sie durch effiziente Diffusion entlang des SWCNT-Netzes erfolgreich trennen können“, sagte Alejandra Hermosilla Palacios, eine Postdoktorandin in den Materialwissenschaften am NREL.

„Um die Effizienz dieser Systeme zu verstehen, ist eine kinetische Analyse der verschiedenen Schritte erforderlich. Wir haben uns hauptsächlich auf die Diffusion von Ladungen dank der SWCNTs konzentriert. Wir möchten verstehen, wie Ladungen in der TMDC-Schicht diffundieren oder sich bewegen, um neue Systeme vorschlagen zu können, die zu höheren Wirkungsgraden – mehr erzeugte Elektronen und Löcher – und sogar länger anhaltenden Ladungen (Chance auf höhere Stromerzeugung) führen könnten.“

Bei bisherigen Ladungstransferkaskaden ist der Mechanismus des Ladungstransfers unklar oder verläuft nicht wie erwartet.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass gut definierte Ladungstransferkaskaden zu längeren Lebensdauern getrennter Ladungen und einer höheren Ladungsausbeute (oder effizienteren Übertragung) führen können. Dies ebnet den Weg für ein besseres Verständnis der Ladungsbewegung durch diese Systeme und wie wir sie weiter optimieren können“, sagte Myers.

Weiterführende Studien: Zukünftige Innovationen

Die Studienergebnisse positionieren diese Nanomodelle für weitere grundlegende Studien der Mechanik der Ladungsträgerdynamik. Die verbesserte Ladungsträgerausbeute lässt auf zukünftige Anwendungen in fortschrittlichen optoelektronischen Systemen schließen. „Das Ziel ist, jeden Schritt des Photovoltaikprozesses weiter zu entschlüsseln, um die Optimierung voranzutreiben“, sagte Myers.

„Unsere Ergebnisse zeigen vielversprechende Auswirkungen auf die Entwicklung optoelektronischer Geräte im Nanomaßstab wie Solarzellen und Solarbrennstoffarchitekturen“, sagte Hermosilla Palacios.

„Heterostrukturen mit gemischter Dimensionalität weisen photophysikalische und technologische Vorteile auf, die die Innovation in der Optoelektronik vorantreiben und beschleunigen können.“