Kühlsysteme sind ein integraler Bestandteil vieler moderner Technologien, da Wärme die Materialien verschleißt und die Leistung auf verschiedene Weise verringert. In vielen Fällen kann die Kühlung jedoch ein unbequemer und energieintensiver Prozess sein. Daher haben Wissenschaftler nach neuen und effizienten Methoden zur Kühlung von Substanzen gesucht.
Die optische Festkörperkühlung ist ein Beispiel, bei dem ein einzigartiges Phänomen, die Anti-Stokes-Emission (AS), genutzt wird. Wenn Materialien Photonen aus einfallendem Licht absorbieren, gehen ihre Elektronen normalerweise in einen „angeregten“ Zustand über. Wenn die Elektronen unter idealen Bedingungen in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, wird ein Teil dieser überschüssigen Energie als Licht freigesetzt, während der Rest in Wärme umgewandelt wird. In Materialien mit AS-Emission interagieren die Elektronen mit den Schwingungen des Kristallgitters, den so genannten „Phononen“, so dass die emittierten Photonen eine höhere Energie haben als die des einfallenden Lichts. Wenn der Wirkungsgrad der AS-Emission nahe bei 100 Prozent liegt, könnten sich diese Materialien bei Lichteinfall theoretisch abkühlen, anstatt sich zu erwärmen.
Untersuchung auf Perowskit-Basis
In einer aktuellen Studie hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Yasuhiro Yamada von der Graduate School of Science der Universität Chiba, Japan, dieses Phänomen in einer vielversprechenden Materialstruktur auf Perowskit-Basis eingehend untersucht. Das Team, zu dem auch Takeru Oki von der Graduate School of Science and Engineering der Chiba University, Dr. Kazunobu Kojima von der Graduate School of Engineering der Osaka University und Dr. Yoshihiko Kanemitsu vom Institute for Chemical Research, Kyoto University, untersuchten die optischen Kühlungsphänomene in einer speziellen Anordnung von Perowskit-Quantenpunkten (extrem kleine CsPbBr3-Kristalle), die in eine Cs4PbBr6-Wirtskristallmatrix eingebettet sind (bezeichnet als CsPbBr3/Cs4PbBr6-Kristall).
„Die Bemühungen um optische Kühlung in Halbleitern sind auf verschiedene Schwierigkeiten gestoßen, vor allem weil es schwierig ist, eine nahezu 100-prozentige Emissionseffizienz zu erreichen, und eine wirkliche Kühlung war schwer zu erreichen. Obwohl Quantenpunkte aufgrund ihrer hohen Emissionsleistung vielversprechend sind, sind sie notorisch instabil, und wenn sie der Luft ausgesetzt sind und kontinuierlich beleuchtet werden, sinkt ihre Emissionsleistung. Daher haben wir uns auf eine stabile Struktur konzentriert, die als ,Dots-in-crystals' bekannt ist und die diese Einschränkungen überwinden kann“, erklärt Yamada.
Die Verwendung von halbleitenden Quantenpunkten stellt ein ungelöstes Problem dar. Wenn Licht einen Halbleiter bestrahlt, erzeugt es Exzitonen – Paare von Elektronen und positiv geladenen „Löchern“. Wenn Exzitonen rekombinieren, emittieren sie normalerweise Licht. Bei hohen Exzitonendichten tritt jedoch ein Prozess namens Auger-Rekombination in den Vordergrund, bei dem Energie in Form von Wärme statt Licht freigesetzt wird. Bei Halbleiter-Quantenpunkten führt die Bestrahlung mit hochintensivem Licht aufgrund dieses Prozesses häufig zur Erwärmung statt zur Abkühlung.
Die Forscher nutzten daher die zeitaufgelöste Spektroskopie, um die Bedingungen zu bestimmen, unter denen die Auger-Rekombination häufiger auftritt. Diese Experimente zeigten, dass eine Erwärmung selbst bei mäßigen Lichtintensitäten unvermeidlich war, was bedeutet, dass Experimente bei geringer Lichtintensität erforderlich waren, um eine echte optische Abkühlung zu beobachten. Leider ist die optische Kühlung bei niedrigen Intensitäten weniger effektiv. Unter den besten Bedingungen zeigte ihre Probe eine theoretische Kühlgrenze von etwa 10 K gegenüber der Raumtemperatur.
Forschungserfolg
Ein weiterer Schwerpunkt der Studie war die Durchführung zuverlässigerer Temperaturmessungen als in früheren Arbeiten. Zu diesem Zweck entwickelten sie eine Methode zur Schätzung der Temperatur von Proben mit hoher Emissionseffizienz durch Analyse der Form ihres Emissionsspektrums. Bei mehreren Proben wurde eine echte optische Abkühlung beobachtet, und die Forscher stellten fest, dass ein Übergang von der Abkühlung zur Erwärmung erfolgte, wenn die Intensität des Anregungslichts erhöht wurde. „Frühere Berichte über die optische Abkühlung von Halbleitern waren unzuverlässig, vor allem aufgrund von Mängeln bei der Temperaturabschätzung. In unserer Studie wurde jedoch nicht nur eine zuverlässige Methode entwickelt, sondern auch das Potenzial und die Grenzen der optischen Kühlung durch zeitaufgelöste Spektroskopie definiert, was einen bedeutenden Fortschritt auf diesem Gebiet darstellt“, bemerkt Yamada.
Diese Studie ebnet den Weg für künftige Forschungen, die sich auf die Minimierung der Auger-Rekombination konzentrieren, um die Kühlleistung von Dots-in-Crystal-Anordnungen zu verbessern. Wenn die optische Kühlung deutlich verbessert wird, um eine breite praktische Anwendung zu erreichen, könnte sie die Grundlage für verschiedene energiesparende Technologien werden und zu den globalen Nachhaltigkeitszielen beitragen.
