Je leest:

Polymere halfgeleider zit vol met excitonen

Polymere halfgeleider zit vol met excitonen

Auteur: | 13 mei 2004

Onderzoekers van de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Delft en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben bij polymere halfgeleiders voor het eerst duidelijk vastgesteld hoeveel ladingsdragers onder invloed van licht worden vrijgemaakt. In het vaktijdschrift Physical Review Letters van 14 mei stellen ze dat invallend licht bij polymere halfgeleiders vooral tot de vorming van zogeheten excitonen leidt. Er ontstaan nauwelijks vrije ladingsdragers die nodig zijn voor het opwekken van een elektrische stroom.

Polymere halfgeleiders zijn in toenemende mate een goedkoop en flexibel alternatief voor standaard halfgeleiders zoals silicium. Ze worden al gebruikt in opto-elektronische toepassingen zoals LED’s (light emitting diodes), displays, transistors en zonnecellen. De werking van dit soort apparaten berust op de omzetting van ladingsdragers in licht (zoals in LED’s) of licht in ladingsdragers (zoals in zonnecellen). De efficiëntie van deze omzetting haalt het in de meeste gevallen niet bij die van de traditionele materialen zoals silicium, maar omdat de kostprijs van de kunststoffen veel lager is en de productiemogelijkheden veel groter, kunnen de gebruikers daar meestal wel mee leven.

Bij de toepassing in zonnecellen ligt dat anders. Daar is de efficiëntie een cruciaal ‘selling point’: hoe meer stroom er gaat lopen bij detzelfde lichtinval, hoe beter de prestatie van de zonnecel. Bij traditionele halfgeleiders is het in principe vrij eenvoudig om een zonnecel te realiseren: als er licht op valt ontstaan direct vrije ladingsdragers die een stroomkring kunnen ‘voeden’. Polymere halfgeleiders laten het in dit opzicht dramatisch afweten: als daar licht op valt, gaat er maar mondjesmaat een elektrische stroom lopen. Technologen hebben daar inmiddels een mouw aan weten te passen: door het mengen van verschillende halfgeleidende materialen kunnen ze polymere zonnecellen maken met een goede efficiëntie. Ondertussen bestuderen fundamentele onderzoekers hoe het nu precies zit met het genereren van ladingsdragers in enkelvoudige polymere halfgeleiders. Het recente onderzoek van de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) heeft op dat gebied enkele belangrijke resultaten opgeleverd.

Een zonnecel in werking. Zonnecellen bestaan uit halfgeleiders. Zonlicht kan elektronen losmaken uit de atomen in die halfgeleider, die dan door een elektrisch circuit gaan lopen. De achterblijvende gaten in het rooster hebben netto een positieve lading en bewegen de andere kant op: naburige elektronen schuiven het gat in, dat zich zo ‘verplaatst’. Beeld: Resources and Protection Technology

Als op een silicium zonnecel licht invalt, leidt dit tot de vorming van negatief geladen elektronen en positief geladen deeltjes (die gaten worden genoemd). Er worden dus ladingsdragers vrijgemaakt en daar berust de werking van de zonnecel dan ook op: onder invloed van licht komen deeltjes vrij die een elektrische stroom mogelijk maken. De mate waarin deze ladingsdragers echt vrij zijn is cruciaal: alleen als ze door het materiaal kunnen bewegen is een elektrische stroom mogelijk.

In een halfgeleidend polymeer blijken net zoals in silicium wel elektronen en gaten te ontstaan, maar het FOM onderzoek heeft aangetoond dat deze nauwelijks aan elkaar kunnen ontsnappen. Zo’n gebonden combinatie van een elektron en een gat wordt een exciton genoemd; de elektronen en gaten kunnen daarbij niet vrij gaan bewegen, maar blijven gepaard aanwezig. Ze heffen elkaar overigens ook niet op – dat proces wordt recombinatie genoemd. Bij het ontstaan van een exciton worden de ladingsdragers dus wel gevormd, maar ze kunnen niet worden gebruikt om spanning op te wekken.

Onderzoek aan polymere zonnecellen. Beeld: TNO

Meningsverschil

Eerdere metingen aan polymere halfgeleiders hebben laten zien dat na bestraling met licht zowel vrije ladingen als excitonen ontstaan. Vrije ladingen kunnen met geleidingsmetingen worden vastgesteld. Natuurkundigen noemen de polymere halfgeleider dan reëel geleidend. Ook de aanwezigheid van excitonen kan worden vastgesteld, met behulp van een uitwendig aangelegd elektrisch veld. Er gaat in dat geval echter geen elektrische stroom lopen – de polymere halfgeleider heet dan imaginair geleidend te zijn. Over de vraag hoeveel vrije ladingsdragers er onder invloed van licht in een polymere halfgeleider ontstaan in verhouding tot excitonen, heerst onder vakspecialisten een verschil van mening.

In het FOM-onderzoek hebben wetenschappers van de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Delft en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) deze controverse nu beslecht. Ze zijn er met een nieuwe techniek voor het eerst in geslaagd tegelijkertijd de reële en de imaginaire geleiding in een halfgeleidende polymeer te meten. Zo konden ze vaststellen dat er meer dan 99% excitonen ontstaan wanneer licht op halfgeleidende polymeren valt. Om dergelijke polymeren te gebruiken in zonnecellen, moeten die excitonen dus efficiënt opgesplitst worden. Dat is precies wat er gebeurt bij het mengen van verschillende polymere halfgeleiders: de ene component neemt dan de elektronen op en de andere de gaten, zodat er toch geleiding kan plaatsvinden. Met de nieuwe onderzoekstechniek hopen de onderzoekers bij te dragen aan verbeteringen bij het realiseren van polymere zonnecellen.

Wanneer licht op een polymere halfgeleider valt, blijken er vrijwel uitsluitend excitonen te ontstaan en maar minder dan één procent vrije ladingen. De excitonen bestaan weliswaar uit elektronen en gaten, maar die blijven aan elkaar gebonden en dragen daarom niet bij aan de geleiding van de halfgeleider. Beeld: Euan Hendry en Mischa Bonn

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 mei 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.