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胶体量子点让LED在红外光中更加耀眼

2018-12-10 16:04
来源: 微迷网

理想的半导体光电材料应该具有优秀的光发射性能,并且是有效的电荷导体,才能对器件进行电荷注入。当满足这两个条件时,可以得到高效率的LED以及接近肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)的太阳能电池。到目前为止,最满足这些条件的材料是基于需要外延生长的三五族(III-V)半导体,价格昂贵且不能与CMOS电子器件单片集成。

据麦姆斯咨询报道,来自巴塞罗那光电科学研究所ICFO的小组发布了一种由红外胶体量子点(CQD)组成的纳米复合系统。这套系统能满足上述要求,同时成本低、易与CMOS集成。CQD是尺寸小到几纳米的半导体颗粒或晶体,因此具有独特的光学和电子特性。CQD是极好的吸收器和光发射器,特性随尺寸和形状而变化:较小的量子点在蓝光范围发光,而较大的量子点在红光范围发光。

胶体量子点令LED在红外光中更加耀眼

论文第一作者Santanu Pradhan博士向ICFO研究小组组长、ICREA研究所教授Gerasimos Konstantatos解释实验结果

CQD LED的应用促成了第三代溶液可处理的无机太阳能电池。这些纳米晶体在短波和中红外光学传感装置中具有广泛的应用,包括监视、夜视、环境监测和光谱学。

最近《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志发表了这项研究,由ICFO的ICREA教授 Gerasimos Konstantatos领导,Santanu Padhan、Francesco Di Stasio、Yu Bi、Shuchi Gupta、Sotirios Christodoulou和Alexandros Stavrinadis组成的小组开发了具有创新意义的红外CQD LED。在红外光范围内,外量子效率(EQE)为7.9%,功率转换效率为9.3%,超越了历史上任何一套此类装置的性能。

这项工作的主要特点是利用超晶体设计CQD复合结构,以达到前所未有低的电子缺陷密度。由于基于CQD表面的化学钝化不能解决PbS量子点(QD)的问题,过去一直在为抑制CQD固体中的电子缺陷而努力。ICFO的研究人员采取了另一种方法,他们创建了能嵌入QD发射的矩阵,为CQD发射极提供远程电子钝化剂。此外,为了促进有效的电荷汇集到QD发射极,达到有效的电子注入,对矩阵进行了精心设计。

有了这套新型设备,研究人员构建的太阳能电池可在红外光范围内测试性能。他们发现这些纳米复合材料发生了有效钝化,随着电子态密度的调制,太阳能电池提供的开路电压非常接近理论极限。太阳能电池提供的开路电压(VOC)的最大电压,单个QD配置可达0.4 V,三个QD混合配置可增加到~ 0.7V,太阳能电池的能带可低至惊人的~0.9 eV。

研究人员Gerasimos Konstantatos说:“这项研究最令人惊讶的发现是在点状表面产生的化学缺陷导电QD材料系统可以实现极低的电子陷阱密度。采用钝化的方式帮助LED实现了非常高的量子效率。另一个令人兴奋的结果是QD太阳能电池有可能达到如此高的VOC值,这要归功于极低的陷阱密度以及半导体薄膜态密度的创新工程方法。”

该研究的第一作者Santanu Pradhan补充道,“下一步我们将集中于如何进一步与其他手段协同利用这种降低电子态密度的方法,以便同时实现高VOC和电流的产生,从而实现太阳能电池器件记录功率转换效率的特性。”

研究结果表明,纳米级QCD红外发光LED集成到太阳能电池可以显著提高LED在红外光谱范围内的性能效率。目前取得的成果开辟了一条通向有待充分利用光谱的道路,并提供了惊人的新应用,例如用于食品检验、环境监测、制造过程监控的片上光谱仪以及用于生物医学或夜视领域的主动成像系统。

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