Studie untersucht Tunneln und Sammeln heißer Elektronen zur Steigerung der Effizienz

Heißträger-Solarzellen, ein Konzept, das vor mehreren Jahrzehnten eingeführt wurde, gelten seit langem als potenzieller Durchbruch in der Solarenergietechnologie. Diese Zellen könnten die Shockley-Queisser-Effizienzgrenze überschreiten, die eine theoretische maximale Effizienz für Einfachübergangs-Solarzellen darstellt. Trotz ihres Versprechens ist die praktische Umsetzung mit erheblichen Herausforderungen verbunden, insbesondere bei der Beherrschung der schnellen Extraktion heißer Elektronen über Materialschnittstellen.

In der jüngsten Forschung wurde der Schwerpunkt auf die Verwendung von Satellitentälern im Leitungsband gelegt, um heiße Elektronen vor der Sammlung vorübergehend zu speichern. Experimente haben jedoch eine parasitäre Barriere an der Heterostrukturschnittstelle zwischen den Absorber- und Extraktionsschichten aufgedeckt. Diese Barriere erschwert den Übertragungsprozess, der im Realraum und nicht im Impulsraum stattfindet. Wenn die Energiebänder der beiden Materialien nicht perfekt ausgerichtet sind, können Elektronen diese Barriere durch Tunneln umgehen, ein Prozess, der von komplexen Bandstrukturen beeinflusst wird.

In einer neuen Studie veröffentlicht im Zeitschrift für Photonik für Energie haben Forscher diese flüchtigen Zustände und ihre Auswirkungen auf das Elektronentunneln mithilfe einer empirischen Pseudopotentialmethode untersucht. Dieser Ansatz berechnet Energiebänder im Impulsraum und gleicht sie mit experimentellen Daten an kritischen Punkten ab. Dies gibt Einblicke in die Physik, die die Extraktion heißer Ladungsträger zwischen Ladungsträgertalzuständen und über Heteroschnittstellen ermöglicht.

Die Erkenntnisse ermöglichen ein tieferes Verständnis des Tunnelprozesses und könnten den Weg für effizientere Heißträger-Solarzellen ebnen und uns dem Durchbrechen der Effizienzgrenzen der aktuellen Solartechnologie einen Schritt näher bringen.

Insbesondere zeigte die Studie, dass der Tunnelkoeffizient, der die Leichtigkeit misst, mit der Elektronen die Barriere durchdringen können, in Indium-Aluminium-Arsenid- (InAlAs) und Indium-Gallium-Arsenid- (InGaAs) Strukturen exponentiell groß ist, da die Energiebänder dieser beiden Materialien nicht übereinstimmen. Dieses Problem wird durch selbst geringe Rauheiten an der Schnittstelle, die nur wenige Atome dick sind, noch verschlimmert, da sie den Elektronentransfer stark behindern. Diese Ergebnisse stimmen mit Beobachtungen schlechter Leistung in experimentellen Geräten überein, die dieses Materialsystem verwenden.

Interessanterweise verbessert sich die Situation deutlich in einem System aus AlGaAs- und Galliumarsenid-Materialien (GaAs), in dem die Aluminiumzusammensetzung in der Barriere eine Entartung in den Satellitentälern mit niedrigerer Energie erzeugt. Ein solches System profitiert von einer besseren Ausrichtung der Energiebänder und der Fähigkeit, mit atomarer Präzision zu wachsen.

So kann der Tunnelkoeffizient für den Elektronentransfer zwischen AlGaAs und GaAs je nach der spezifischen Zusammensetzung des verwendeten AlGaAs bis zu 0,5 oder sogar 0,88 betragen. Dies deutet auf einen viel effizienteren Transferprozess hin und auf das Potenzial, Tal-Photovoltaik zu nutzen und Solarzellen jenseits der derzeitigen Einzelbandlückengrenzen zu realisieren.

In Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit aus AlGaAs/GaAs bewegen sich Elektronen normalerweise von AlGaAs zu GaAs. Allerdings können heiße Ladungsträger in GaAs genügend Energie gewinnen, um wieder in AlGaAs zu gelangen, ein Prozess, der als Realraumtransfer bezeichnet wird. Während dies in Transistoren normalerweise unerwünscht ist, ist es für die Valley-Photovoltaik von Vorteil, wo eine effiziente Übertragung und Speicherung heißer Ladungsträger entscheidend ist.