Идеальный оптоэлектронный полупроводниковый материал был бы сильным излучателем света и эффективным проводником заряда для обеспечения электрического впрыска в устройствах.

(На фото выше): Доктор Сантану Прадхан, первый автор, объясняет результаты эксперимента профессору ICREA в ICFO Герасимосу Константосу, руководителю исследовательской группы at ICFO. Фото: ICFO

Эти два условия, когда они выполняются, могут привести к высокоэффективным светодиодам, а также к солнечным элементам, которые приближаются к пределу Шокли-Кейссера. До настоящего времени материалы, которые наиболее близко соответствовали этим условиям, основывались на дорогостоящих выращенных эпитаксиально-полупроводниковых полупроводниках III-V, которые не могут быть монолитно интегрированы в электронику КМОП.

В настоящее время команда ICFO сообщает об обработанной нанокомпозитной системе, содержащей инфракрасные коллоидные квантовые точки. Он соответствует этим критериям и в то же время предлагает низкую стоимость и легкую интеграцию CMOS. Коллоидные квантовые точки (CQD) представляют собой полупроводниковые частицы или кристаллы размером всего в несколько нанометров, которые, следовательно, обладают уникальными оптическими и электронными свойствами. Они являются отличными поглотителями и излучателями света, и их свойства меняются в зависимости от их размера и формы: меньшие квантовые точки излучают в синем диапазоне, в то время как большие квантовые точки излучают в красном.

Использование CQD-светодиодов может способствовать созданию неорганических солнечных элементов третьего поколения с обработкой растворов. Реализация этих нанокристаллов в устройствах для оптического зондирования в коротковолновом и среднем инфракрасном диапазонах имеет широкое применение, включая наблюдение, ночное видение, а также мониторинг окружающей среды и спектроскопию.

В этом недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology , исследователи ICFO Сантану Падхан, Франческо Ди Стасио, Ю Би, Шучи Гупта, Сотириос Христодулу и Александрос Ставринадис, возглавляемые профессором ICREA из ИКФО Герасимос Константос, разработали светодиоды CQD, излучающие инфракрасное излучение. беспрецедентные значения в инфракрасном диапазоне, внешняя квантовая эффективность 7,9 процента и эффективность преобразования мощности 9,3 процента, значение, которое никогда ранее не достигалось с этим типом устройства.

Ключевой особенностью этой работы была разработка композитной структуры CQD, разработанной на супрананокристаллическом уровне для достижения беспрецедентно низкой плотности электронных дефектов. Предыдущие усилия по подавлению электронных дефектов в твердых телах CQD были в основном основаны на химической пассивации поверхности CQD, что не могло решить проблему в КТ PbS. Исследователи из ICFO избрали альтернативный путь создания соответствующей матрицы, в которую они встроили излучающие КТ, чтобы они служили в качестве удаленного электронного пассиванта для излучающих ККД. Кроме того, энергетический ландшафт матрицы был спроектирован для того, чтобы облегчить эффективную воронку заряда в излучатели КТ для достижения эффективного электрического впрыска.

 С помощью этих новых гибридных устройств исследователи создали солнечные элементы, чтобы проверить их работу в инфракрасном диапазоне. Они обнаружили, что эффективная пассивация, достигнутая в этих нанокомпозитах, наряду с модуляцией электронной плотности состояний, приводит к тому, что солнечные элементы подают напряжение разомкнутой цепи очень близко к теоретическому пределу. Напряжение холостого хода (VOC), которое является максимальным напряжением, доступным от солнечного элемента, увеличилось с 0,4 В для конфигурации с одной КТ, до ~ 0,7 В для конфигурации с тройной смесью, что является впечатляющим значением, учитывая нижнюю запрещенную зону элемента при ~ 0,9 эВ.

Исследователь Герасимос Константос говорит: «Самым удивительным открытием этого исследования является чрезвычайно низкая плотность электронных ловушек, которая может быть достигнута в системе проводящих материалов КТ, которая полна химических дефектов, возникающих на поверхности точек. Очень высокая квантовая эффективность Эти светодиоды являются следствием этой стратегии пассивации.Другим впечатляющим результатом является возможность достижения таких высоких значений ЛОС для солнечных элементов КТ благодаря очень низкой плотности ловушек, а также благодаря новому инженерному подходу к плотности состояний в полупроводниковая пленка ".

Сантану Прадхан, первый автор исследования, добавляет: «Далее мы сконцентрируемся на том, как дополнительно использовать это снижение электронной плотности состояний синергетически с другими средствами, чтобы обеспечить одновременное достижение высокого производства Voc и тока, тем самым нацеливаясь на преобразование мощности записи. эффективность в солнечных элементах ".

Результаты, полученные в этом исследовании, доказывают, что разработка инфракрасных светодиодов КХД на наноуровне, встроенных в солнечные элементы, может значительно повысить эффективность работы этих устройств в инфракрасном диапазоне. Такие результаты открывают путь в диапазон спектров, которые еще предстоит полностью использовать, и предлагают новые удивительные применения, такие как встроенные в чип спектрометры для контроля пищевых продуктов, мониторинга окружающей среды, мониторинга производственных процессов, а также системы активной визуализации для биомедицинских или ночных зрение приложений.

По материалам сайта phys.org