Jump to content

Множественная генерация экситонов

Раскрытие причин предела Шокли-Кейсера . Черная высота — это предел Шокли-Кейсера для максимальной энергии, которую можно извлечь в виде полезной электрической энергии в обычном солнечном элементе. Однако солнечный элемент с множественной генерацией экситонов также может использовать часть энергии в зеленой области (и в меньшей степени в синей области), а не тратить ее в виде тепла. Следовательно, теоретически он может превысить предел Шокли-Кейссера.

В солнечных элементов исследованиях размножение носителей — это явление, при котором поглощение одного фотона приводит к возбуждению нескольких электронов из валентной зоны в зону проводимости. В теории обычного солнечного элемента каждый фотон способен возбудить только один электрон через запрещенную зону полупроводника, и любая избыточная энергия этого фотона рассеивается в виде тепла. В материале с умножением носителей фотоны высокой энергии возбуждают в среднем более одного электрона в запрещенной зоне, поэтому в принципе солнечный элемент может производить больше полезной работы.

В солнечных элементах с квантовыми точками возбужденный электрон в зоне проводимости взаимодействует с дыркой, которую он оставляет после себя в валентной зоне, и этот составной незаряженный объект известен как экситон . Эффект умножения носителей в точке можно понимать как создание множественных экситонов и называется генерацией множественных экситонов (МЭГ). МЭГ может значительно повысить эффективность преобразования энергии на основе нанокристаллов солнечных элементов , хотя извлечение энергии может быть затруднено из-за короткого времени жизни мультиэкситонов.

Квантово-механическое происхождение МЭГ все еще обсуждается, и было предложено несколько возможностей: [1]

  • 1) Ударная ионизация : свет возбуждает высокоэнергетический экситон (X), который необратимо распадается на квазиконтинуум мультиэкситонных (мульти-X) состояний, доступных при этой энергии. Модель требует, чтобы плотность состояний мультиэкситонов была очень высокой, в то время как кулоновская связь между X и мульти-X может быть весьма малой.
  • 2) Когерентная суперпозиция одиночных и многоэкситонных состояний: самая первая предложенная модель, но слишком упрощенная (не учитывается высокая плотность состояний мульти-Х). Свет возбуждает X (который не является истинным собственным состоянием системы), который затем может много раз когерентно конвертироваться в мульти-X и обратно в X ( квантовые биения ). Этот процесс требует, чтобы кулоновская связь между ними была намного сильнее, чем скорость распада через фононы (что обычно не так). В конечном итоге возбуждение затухает через фононы до более низкой энергии X или мульти-X, в зависимости от того, какой из распадов происходит быстрее.
  • 3) Образование мультиэкситонов через виртуальное экситонное состояние. Свет непосредственно возбуждает собственное состояние системы (в данном случае когерентную смесь X и мульти-X). Термин «виртуальный» здесь относится к чистому X, поскольку он не является истинным собственным состоянием системы (то же самое и для модели 2).

Все вышеперечисленные модели могут быть описаны одной и той же математической моделью (матрицей плотности), которая может вести себя по-разному в зависимости от набора исходных параметров (силы связи между X и мульти-X, плотности состояний, скорости распада).

Впервые МЭГ был обнаружен в 2004 году с использованием коллоидных PbSe. квантовых точек [2] а позже был обнаружен в квантовых точках других составов, включая PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si , [3] и ИнП . [4] Однако многие ранние исследования коллоидных квантовых точек значительно переоценивали эффект МЭГ из-за необнаруженного фотозаряда - проблемы, позже выявленной и решенной путем энергичного перемешивания коллоидных образцов. [5] Генерация множественных экситонов была впервые продемонстрирована в работающем солнечном элементе в 2011 году, также с использованием коллоидных квантовых точек PbSe. [6] Множественная генерация экситонов была также обнаружена в полупроводниковых одностенных углеродных нанотрубках (ОСНТ) при поглощении одиночных фотонов. [7] Для (6,5) ОСНТ поглощение одиночных фотонов с энергиями, соответствующими трехкратной энергетической щели ОСНТ, приводит к эффективности генерации экситонов 130% на фотон. Порог генерации множественных экситонов в ОСНТ может быть близок к пределу, определяемому сохранением энергии.

Графен , тесно связанный с нанотрубками, является еще одним материалом, в котором наблюдалась множественная генерация экситонов. [8]

Генерация двойных экситонов дополнительно наблюдалась в органических производных пентацена в результате деления синглетных экситонов с чрезвычайно высокой квантовой эффективностью. [9]

  1. ^ Тиммерман, Д.; Изеддин И.; Сталлинга, П.; Ясиевич И.Н.; Грегоркевич, Т. (2008). «Квантовая резка с разделением пространства кремниевыми нанокристаллами для фотоэлектрических применений». Природная фотоника . 2 (2): 105. Бибкод : 2008NaPho...2..105T . дои : 10.1038/nphoton.2007.279 .
  2. ^ Шаллер, Р.; Климов, В. (2004). «Высокоэффективное размножение носителей в нанокристаллах PbSe: значение для преобразования солнечной энергии». Письма о физических отзывах . 92 (18): 186601. arXiv : cond-mat/0404368 . Бибкод : 2004PhRvL..92r6601S . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.186601 . ПМИД   15169518 . S2CID   4186651 .
  3. ^ Борода, MC; Кнутсен, КП; Ага; Лютер, Дж. М.; Песня, Q; Мецгер, ВК; Эллингсон, Р.Дж.; Нозик, AJ (2007). «МЭГ в коллоидных нанокристаллах кремния». Нано-буквы . 7 (8): 2506–12. Бибкод : 2007NanoL...7.2506B . дои : 10.1021/nl071486l . ПМИД   17645368 .
  4. ^ Стаббс, Стюарт К.; Хардман, Саманта Джо; Грэм, Даррен М.; Спенсер, Бен Ф.; Флэвелл, Венди Р.; Гларви, Пол; Масала, Омбретта; Пикетт, Найджел Л.; Бинкс, Дэвид Дж. (2010). «Эффективное размножение носителей в наночастицах InP» (PDF) . Физический обзор B . 81 (8): 081303. Бибкод : 2010PhRvB..81h1303S . дои : 10.1103/PhysRevB.81.081303 .
  5. ^ Макгуайр, Джон А.; Сикора, Милан; Джу, Джин; Пиетрига, Джеффри М.; Климов, Виктор И. (2010). «Выходы умножения кажущихся и истинных носителей заряда в полупроводниковых нанокристаллах» . Нано-буквы . 10 (6): 2049–57. Бибкод : 2010NanoL..10.2049M . дои : 10.1021/nl100177c . ПМИД   20459066 .
  6. ^ Семонин О.Е.; Лютер, Дж. М.; Чой, С.; Чен, HY; Гао, Дж.; Нозик, Эй Джей; Борода, MC (2011). «Пиковая квантовая эффективность внешнего фототока, превышающая 100% за счет МЭГ в солнечном элементе на квантовых точках». Наука . 334 (6062): 1530–1533. Бибкод : 2011Sci...334.1530S . дои : 10.1126/science.1209845 . ПМИД   22174246 . S2CID   36022754 .
  7. ^ Ван, Шуцзин; Хафизов, Марат; Ту, Сяоминь; Чжэн, Мин; Краусс, Тодд Д. (14 июля 2010 г.). «Генерация множественных экситонов в одностенных углеродных нанотрубках». Нано-буквы . 10 (7): 2381–2386. Бибкод : 2010NanoL..10.2381W . дои : 10.1021/nl100343j . ПМИД   20507082 .
  8. ^ Тилрой, К.Дж.; Сонг, J CW; Дженсен, ЮАР; Сентено, А.; Пескера, А.; Зурутуза Элорза, А.; Бонн, М.; Левитов, Л. Ф.; Коппенс, ФХЛ (24 февраля 2013 г.). «Каскад фотовозбуждения и множественная генерация горячих носителей в графене». Физика природы . 9 (4): 248–252. arXiv : 1210.1205 . Бибкод : 2013NatPh...9..248T . дои : 10.1038/nphys2564 . S2CID   13999471 .
  9. ^ Конгрив, Д.Н. (2013). «Внешняя квантовая эффективность выше 100% в органическом фотоэлектрическом элементе на основе синглетно-экситонного деления». Наука . 340 (6130): 334–337. Бибкод : 2013Sci...340..334C . дои : 10.1126/science.1232994 . ПМИД   23599489 . S2CID   46185590 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 70f26966acf32ef51fbfe86abc141f9d__1717967520
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/70/9d/70f26966acf32ef51fbfe86abc141f9d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Multiple exciton generation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)