Множественная генерация экситонов
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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .