My weblog
XML FeedsCategory: Science
2009-08-21
Welke materialen zijn geschikt voor zonnecellen - Interview Martien Vermeulen
Link: http://www.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=ea67e4f7-c756-4971-ba6e-bccb1ee35ae4&lang=nl
This article has been publiced last December 2008 in the magazine of DEMO of the TU Delft.Alternatieve zonnecellen
Delft Chem Tech doet onderzoek naar alternatieve zonnecellen
Onze comforteisen zijn er in de loop van de tijd niet bescheidener op geworden. Gelukkig wil nog niet iedereen een jacuzzi in zijn achtertuin, maar ook zonder die luxe blijft het energieverbruik stijgen. Om in deze behoefte te voorzien en tegelijkertijd het milieu niet nóg meer te belasten, zijn onderzoeken naar alternatieve energievormen hoogst actueel. Bij Delft Chem Tech doet de afdeling Opto-electronic Materials (OM) onderzoek naar alternatieve materialen voor zonnecellen, omdat het huidige materiaal (silicium) erg duur is. Technisch ondersteuner Martien Vermeulen vertelt over dit onderzoek en over de samenwerking met de TU Eindhoven en zijn collega’s van DEMO.
Kunt u in het kort vertellen waar het onderzoek over gaat?
‘Jazeker. In opdracht van prof. dr. Laurens Siebbeles maken wij op de afdeling OM een unieke meetopstelling. Met die opstelling gaan we nieuwe materialen bestuderen die in toekomstige zonnecellen kunnen worden gebruikt. We kijken naar de fundamentele eigenschappen en het gedrag van die nieuwe materialen en hopen daarmee uitspraken te kunnen doen over, bijvoorbeeld, de duurzaamheid en de efficiëntie. Met efficiëntie bedoelen we de hoeveelheid lichtvermogen die kan worden omgezet in elektrisch vermogen.’
Aan wat voor nieuwe materialen moet ik dan denken?
‘Bijvoorbeeld aan nanogestructureerde materialen. Vroeger leerde je bij scheikunde dat wanneer je materiaal deelt totdat het niet verder kan, je uiteindelijk een molecuul of atoom overhoudt en dat ook dat allerkleinste deeltje dezelfde eigenschappen heeft als het materiaal waarmee je begon. Maar bij materiaal met de afmeting van een nanodeeltje blijken de eigenschappen te veranderen als je gaat delen. Die verandering verschilt per materiaal, maar je kunt dan denken aan geleidbaarheid of elasticiteit. Nou, dat soort eigenschappen van materialen onderzoeken wij, met in het achterhoofd de vraag: is dit materiaal – met deze eigenschappen – bruikbaar voor toepassing in een zonnecel?’
Centraal in de meetopstelling staat de elektronenversneller die in samenwerking met DEMO is gebouwd. Wat doet die versneller?
‘Zoals in elke meetopstelling heb je een bron die voor de verstoring zorgt en een meetmethode om de reactie van die verstoring te meten. Als verstoringsbron gebruiken wij elektronen die bijna de lichtsnelheid hebben, omdat we daar heel gericht mee kunnen meten. Zo gericht, dat andere meetopstellingen er niet aan kunnen tippen. De versneller werkt als volgt: een laserpuls maakt elektronen vrij op de beginplaat. Daarna worden de elektronen versneld tot bijna de lichtsnelheid. Deze picoseconde elektronenpuls (*) heeft een energie van ~ 4,5 miljoen volt en een stroom van 1 kilo ampère. Met een tweede laserpuls kunnen wij het materiaal analyseren en in kaart brengen hoe het door de versneller veranderd is. Op basis van die metingen kunnen wij voorspellen of de materialen geschikt zijn voor zonnecellen. En als ze dat niet zijn, wat er verbeterd moet worden om ze wél geschikt te maken.’
Het ontwerp voor de versneller is gemaakt aan de TU van Eindhoven. Wat was precies de rol van DEMO?
‘Het ontwerp van onze elektronenversneller is inderdaad gebaseerd op een ontwerp dat aan de TU Eindhoven (TU/e) is gemaakt. Alleen, zij hadden de versneller niet ontworpen om in een meetopstelling te gebruiken, terwijl dat in ons onderzoek wel de bedoeling was. Dat betekent onder meer dat de versneller intensief gebruikt zal worden. We hebben het ontwerp van de TU/e dus wel als uitgangspunt genomen, maar ook een heleboel aanpassingen doorgevoerd. Om dat goed te doen, hebben we DEMO vanaf het begin betrokken bij het modificeren, ontwerpen en bouwen van onze versneller.’
Hoe verliep de samenwerking met DEMO?
‘Die verliep prima. We hebben in het verleden al vaker met DEMO-medewerkers van de RID-locatie samengewerkt, dus het was niet moeilijk om onze collega’s te vinden. In projecten zoals dit is de bijdrage van DEMO absoluut onmisbaar. Je kunt zonder overdrijven stellen dat deze elektronenversneller niet gebouwd had kunnen worden zonder de positieve en geduldige inzet van DEMO. Het gaat in dit onderzoek om een zeer complexe opstelling die nog nergens anders in de wereld bestaat. Wil je zo’n opstelling kunnen maken, dan ben je als onderzoeker en ook als ondersteuner voortdurend op zoek naar antwoorden op vragen die nooit eerder zijn gesteld. Dat betekent dat je niet eenmalig een ontwerp- en bouwopdracht geeft, maar voortdurend in contact staat met de uitvoerders. De ene dag vraag je ze iets te doen en de volgende dag kom je daar op terug en zeg je: wacht even, ik heb er nog ‘ns over nagedacht, maar het moet toch anders. Zou je dat bij een extern bedrijf doen, dan worden ze gek. Dat is er niet op ingericht om voortdurend in overleg te zijn met zijn klanten.’
Wat kwamen jullie zoal tegen bij het aanpassen van het oorspronkelijke ontwerp?
‘Een van de uitdagingen was het plaatsen van de verwarmingselementen en de koelkanalen. Stel je maar voor: wij hebben 100 Hertz nodig voor de eerste laserpuls. Dat houdt in dat er elke minuut een warmteontwikkeling is in het hart van de versneller die vergelijkbaar is met een grote straalkachel. Daar komt bij dat de temperatuur tijdens de proeven binnen een paar tienden graad stabiel moet blijven én dat alles in een ultrahoog vacuüm moet worden uitgevoerd. Dat zijn opgaven waar je met elkaar heel lang op kunt puzzelen.’
Waarin verschilt deze versneller van een willekeurige ander versneller?
‘Dat verschil zit ‘m in de tijdsduur van de elektronenpuls. Elektronen stoten elkaar af zolang ze nog niet de lichtsnelheid hebben. De beste manier om afstoten te voorkomen, is dus om ze in heel korte tijd op snelheid te krijgen. Om dat te doen heb je grote elektrische velden nodig waardoor de elektronen worden aangetrokken. Die velden kun je creëren, maar dat betekent wel dat je hoge eisen moet stellen aan de maatvoering van het hart van de versneller. Dat was dus een van de onderdelen waar we – samen met DEMO – goed naar hebben gekeken.’
Wat zijn de verwachtingen met het oog op succes?
’We hopen én verwachten met deze meetopstelling nieuwe inzichten te krijgen in de eigenschappen en de dynamica van alternatieve materialen voor zonnecellen. Op termijn zal de opstelling dagelijks worden gebruikt door promovendi, maar voordat het zo ver is, moet er nog wel het nodige werk worden verzet. Het hart van de elektronenversneller is inmiddels geïnstalleerd en we zijn nu zo ver dat we kunnen gaan meten. Voordat we de eerste metingen gaan verrichten, moeten we eerst nog onderzoek doen naar de eigenschappen van de elektronenbundel en kijken op welke onderdelen we de materialen straks willen analyseren. Als we daarmee klaar zijn, starten we de elektronenversneller – als meetinstrument – volgend jaar voor het eerst op.’
(*) Een picoseconde is 1 biljoenste seconde.
Permalink2009-03-02
DCT Faculty Colloquium - Februari 2009
DCT FACULTY COLLOQUIUM
Using a picosecond pulsed electron accelerator to study charge carrier dynamics
by Walter Knulst
DCT-OM February 2, 12.45 p.m.
Rolls available from 12.35h
Lecture room A, DelftChemTech, Julianalaan 136
Abstract
Currently, an electron accelerator-based pulsed radiolysis facility is under development to extend our time-resolved studies on charge carrier dynamics in materials into the (sub)picosecond time regime. This accelerator is part of the ultrafast pulsed irradiation facility that also consists of a femtosecond Ti:Sapphire laser system, which is already operational for photolysis experiments. The materials under investigation are excited by either an ultrashort laser or relativistic electron pulse. The properties of generated excitons and charge carriers are detected by time-resolved THz conductivity and absorption or reflection spectroscopy. Eventually, the results will contribute to the improvement of the performance of, for instance, solar cells and light-emitting diodes, based on functional polymers, self-assembling molecular aggregates, inorganic nanoparticles or inorganic/organic composites.
Recently, we have studied exciton dynamics within PbSe nanocrystals using optical transient absorption1. Due to the fact that their bandgap scales with their size and that carrier multiplication occurs for photon energies well above the bandgap, semiconductor nanocrystals are promising materials to be applied in cheap and highly efficient solar cells.
For efficient solar cell operation, it is important to optimize the intrinsic photoabsorption properties (conversion from light energy to electronic excitations of the material), for instance by making use of multiple exciton generation. Additionally, the stored energy has to be released into the form of free charges moving to the electrodes to drive the electron current of the solar cell. Time-domain THz spectroscopy is a useful contactless tool to study photoconductivity on a subpicosecond time scale2. We would like to study bilayers of photosensitive material (i.e. dye molecules or nanocrystals) and electron accepting material (i.e. TiO2), which are called dye sensitized solar cells. From the time-domain THz spectroscopy information can be deduced on the diffusion length of excitons and charge separation efficiency, due to the high mobility of the electrons in the conduction band of TiO2.
References:
1. M.T. Trinh, A.J. Houtepen, J.M. Schins, T. Hanrath, J. Piris, W. Knulst, A.P.L.M. Goossens, L.D.A. Siebbeles, Nano Letters 8 (6), pp 1713–1718.
2. E. Hendry, M. Koeberg, J.M. Schins, L.D.A. Siebbeles, M. Bonn, Chemical Physics Letters 432, 441. This project has been supported by NWO.
2008-10-31
PULS'2008 Conference, September 2008, Poland
8th International Conference on Pulse Investigations in Chemistry, Biology and Physics PULS'2008
September 6 - 12, 2008, Krakow, Poland
www.ichtj.waw.pl/puls2008/
puls2008@ichtj.waw.pl
Recent developments of the picosecond pulsed electron accelerator and using ultrashort THz pulses to study exciton and charge carrier dynamics
W. Knulst*, M.J.W. Vermeulen, J.M. Schins and L.D.A. Siebbeles Opto-electronic Materials Section, Department of DelftChemTech, Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology, Julianalaan 136, 2628 BL Delft, +31-15-2786722, w.knulst@tudelft.nl, http://www.dct.tudelft.nl/om/Currently, an electron accelerator-based pulsed radiolysis facility is under development to extend our time-resolved studies on charge dynamics in materials into the (sub)picosecond time regime. This accelerator is part of the ultrafast pulsed irradiation facility that also consists of a femtosecond Ti:Sapphire laser system, which is already operational for photolysis experiments. The materials under investigation are excited by either an ultrashort laser or relativistic electron pulse. The properties of generated excitons and charge carriers are detected by time-resolved THz conductivity and absorption or reflection spectroscopy. Eventually, the results will contribute to the improvement of the performance of, for instance, solar cells and light-emitting diodes, based on functional polymers, self-assembling molecular aggregates, inorganic nanoparticles or inorganic/organic composites.Recently, we have studied exciton dynamics within PbSe nanocrystals using optical transient absorption1. Due to the fact that their bandgap scales with their size and that carrier multiplication occurs for photon energies well above the bandgap, semiconductor nanocrystals are promising materials to be applied in cheap and highly efficient solar cells. For efficient solar cell operation, it is important to optimize the intrinsic photoabsorption properties (conversion from light energy to electronic excitations of the material), for instance by using carrier multiplication. Additionally, the stored energy has to be released into the form of free charges moving to the electrodes to drive the electron current of the solar cell. Time-domain THz spectroscopy is a useful contactless tool to study photoconductivity on a subpicosecond time scale2. We would like to study bilayers of photosensitive material (i.e. dye molecules or nanocrystals) and electron accepting material (i.e. TiO2), which are called dye sensitized solar cells. From the time-domain THz spectroscopy information can be deduced on the diffusion length of excitons and charge separation efficiency, due to the high mobility of the electrons in the conduction band of TiO2.
References:
1. M.T. Trinh, A.J. Houtepen, J.M. Schins, T. Hanrath, J. Piris, W. Knulst, A.P.L.M. Goossens, L.D.A. Siebbeles, Nano Letters 2008, in press, web release DOI: 10.1021/nl0807225.2. E. Hendry, M. Koeberg, J.M. Schins, L.D.A. Siebbeles, M. Bonn, Chemical Physics Letters 2006, 432, 4412008-05-28
Nano Letter paper receives attention by Italian Newspaper
Energia solare moltiplicata per tre
Coi «nanoconduttori» anziché ottenere un solo elettrone da ogni fotone è possibile averne tre
AMSTERDAM (OLANDA) - Un team di ricercatori dell’Università di Tecnologia di Delft (Olanda) e della Foundation for Fundamental Research on Matter hanno utilizzato nanocristalli come semiconduttori, approdando a una significativa scoperta: la capacità di produzione di energia delle celle solari con l’uso di questi semiconduttori viene triplicata. Gli studiosi hanno ribattezzato il processo di moltiplicazione «effetto valanga».
LO STUDIO - Lo studio verrà pubblicato sulla rivista Nano Letter e subito dopo inizieranno le prime sperimentazioni. L’effetto valanga era già stato individuato in passato e nel 2004 uno studio dei ricercatori del National Laboratories di Los Alamos, in Nuovo Messico, ipotizzava che il miglioramento nelle prestazioni di un impianto per l'energia solare, grazie ai nanocristalli, potesse essere ben maggiore. Ora viene finalmente dimostrata la validità dell’effetto moltiplicatore di questo materiale, anche se si tratta di un’incidenza inferiore a quella ipotizzata.
L’ENERGIA SOLARE - Pannelli costosissimi per produrre relativamente poca energia: questo è uno dei mali dell’energia solare, ritornata più che mai in auge in tempi di crisi energetica. In Italia si annuncia la riapertura delle centrali nucleari, Veronesi e Rubbia dibattono sulla quarta generazione dell’energia all’uranio, sulla sua validità e sulle alternative esistenti, mentre ancora una volta ci si chiede perché, in un Paese come l’Italia, l’energia pulita e poderosa che ci regala il Sole non venga sfruttata a dovere. Dall’Olanda potrebbe arrivare una piccola rivoluzione.
Emanuela Di Pasqua2008-05-20
New article in Nano Letters about Carrier Multiplication in Nanocrystals
ASAP Nano Lett., ASAP Article, 10.1021/nl0807225
Web Release Date: May 20, 2008
Copyright © 2008 American Chemical Society
In Spite of Recent Doubts Carrier Multiplication Does Occur in PbSe Nanocrystals
M. Tuan Trinh,† Arjan J. Houtepen,*† Juleon M. Schins,*† Tobias Hanrath,‡ Jorge Piris,† Walter Knulst,† Albert P. L. M. Goossens,† and Laurens D. A. Siebbeles†
Optoelectronic Materials, Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology, Julianalaan 136, 2628 BL Delft, The Netherlands, and School of Chemical and Biomolecular Engineering, Cornell University, 356 Olin Hall, New York
Received March 11, 2008
Revised May 1, 2008
Abstract:
Efficient carrier multiplication has been reported for several semiconductor nanocrystals: PbSe, PbS, PbTe, CdSe, InAs, and Si. Some of these reports have been challenged by studies claiming that carrier multiplication does not occur in CdSe, CdTe, and InAs nanocrystals, thus raising legitimate doubts concerning the occurrence of carrier multiplication in the remaining materials. Here, conclusive evidence is given for its occurrence in PbSe nanocrystals using femtosecond transient photobleaching. In addition, it is shown that a correct determination of carrier-multiplication efficiency requires spectral integration over the photobleach feature. The carrier multiplication efficiency we obtain is significantly lower than what has been reported previously, and it remains an open question whether it is higher in nanocrystals than it is in bulk semiconductors.
2008-02-06
Terahertz spectroscopy: RIKEN database goes live - Nature Photonics 2, 68 (2008)
Link: http://www.nature.com/nphoton/journal/v2/n2/full/nphoton.2007.292.html
Nature Photonics 2, 68 (2008)
doi:10.1038/nphoton.2007.292
Terahertz spectroscopy: RIKEN database goes live
Oliver Graydon
An online database containing terahertz spectroscopic data for nearly 200 materials has now gone live and is free to access. Compiled by researchers at RIKEN, a Japanese research organization, the terahertz database provides downloadable data in ascii and pdf format for research and educational purposes. The database is located at www.riken.jp/THzdatabase.
2008-01-29
Movie on Quantuym Dots Synthesis
In our group we make quantum dots. This synthesis has been fine tunned by Elise Talgorn and Arjan Houtepen.
Recently, we discovered a movie on internet showing the synthesis of cadnium selenium quantum dots (also called nacovrystals) in the group of Baweni at MIT. You will see that a few times a sample is taken from the synthesis. Each sample has a slightly different color when illuminating it with light. This is due to the fact that the quantum dots are growing in time in the reaction vessel. The bigger the quantum dot the more to the red the emission will be.