Points quantiques noyau/coque PbSe/CdSe (a) et une voie de multiplication de porteurs (CM) (b) dans ces nanostructures. (a) Image de microscopie électronique à transmission de points quantiques PbSe/CdSe à couche épaisse développés pour cette étude. (b) Un trou chaud généré dans la coquille par absorption d'un photon entre en collision avec un électron de bande de valence localisé au cœur, la promouvoir à travers le fossé énergétique, qui génère une deuxième paire électron-trou. Dans les points quantiques PbSe/CdSe à couche épaisse, ce processus est amélioré en raison de la lente relaxation des trous localisés dans la coque dans le cœur.
(Phys.org) —Les chercheurs de Los Alamos ont démontré une augmentation de presque quatre fois du rendement de multiplication des porteurs avec des points quantiques nano-conçus. La multiplication des porteurs se produit lorsqu'un seul photon peut exciter plusieurs électrons. Les points quantiques sont de nouvelles nanostructures qui peuvent devenir la base de la prochaine génération de cellules solaires, capable d'extraire de l'électricité supplémentaire de l'énergie supplémentaire des photons bleus et ultraviolets.
"Les cellules solaires typiques absorbent une large partie du spectre solaire, mais en raison du refroidissement rapide des porteurs de charge énergétiques (ou « chauds »), l'énergie supplémentaire des photons solaires bleus et ultraviolets est gaspillée dans la production de chaleur, " dit Victor Klimov, directeur du Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) au Laboratoire national de Los Alamos.
En avoir deux pour le prix d'un
"En principe, cette énergie perdue peut être récupérée en la convertissant en photocourant supplémentaire via la multiplication des porteurs. Dans ce cas, la collision d'un porteur chaud avec un électron de la bande de valence l'excite à travers la bande interdite, " dit Klimov. " De cette façon, l'absorption d'un seul photon de l'extrémité à haute énergie du spectre solaire produit non pas une mais deux paires électron-trou, ce qui, en termes de puissance de sortie, signifie en obtenir deux pour le prix d'un."
La multiplication des porteurs est inefficace dans les solides en vrac utilisés dans les cellules solaires ordinaires, mais est sensiblement améliorée dans les particules semi-conductrices ultrapetites - également appelées points quantiques - comme cela a été démontré pour la première fois par des chercheurs du LANL en 2004 (Schaller &Klimov, Phys. Rév. Lett. 92, 186601, 2004). Dans les points quantiques conventionnels, cependant, la multiplication des porteuses n'est pas assez efficace pour augmenter la puissance de sortie des appareils pratiques.
Une nouvelle étude menée au sein du Center for Advanced Solar Photophysics démontre que des nanostructures cœur/coquille conçues de manière appropriée en séléniure de plomb et en séléniure de cadmium (PbSe et CdSe) peuvent multiplier par quatre le rendement de multiplication des porteurs par rapport aux points quantiques PbSe simples.
Klimov a expliqué, "Cette forte amélioration est principalement dérivée de la relaxation inhabituellement lente des phonons des trous chauds qui sont piégés dans des états de haute énergie au sein de l'épaisse couche de CdSe. La longue durée de vie de ces trous énergétiques facilite un mécanisme de relaxation alternatif via des collisions avec la bande de valence localisée au cœur. électron qui conduit à une multiplication de porteurs très efficace."
Les écrous et boulons du ralentissement du refroidissement
Pour réaliser l'effet du refroidissement ralenti des porteurs, les chercheurs du LANL ont fabriqué des points quantiques PbSe avec une coque CdSe particulièrement épaisse. Qianglu Lin, un étudiant du CASP travaillant sur la synthèse de ces matériaux a déclaré, "Une caractéristique frappante des points quantiques PbSe/CdSe à couche épaisse est une émission visible assez brillante, de la coquille, observé simultanément avec l'émission infrarouge du cœur. Cela montre que le refroidissement intrabande est considérablement ralenti, de sorte que les trous résident dans la coque assez longtemps pour produire des émissions."
"Cette détente ralentie, qui sous-tend l'augmentation observée de la multiplication des porteurs, est probablement lié à l'interaction entre la localisation du noyau et la localisation des états de la bande de valence ", a expliqué Nikolay Makarov, un spectroscopiste travaillant sur ce projet. Istvan Robel, un autre membre du CASP a ajouté "Notre modélisation indique que lorsque la coque est suffisamment épaisse, les états de trous de plus haute énergie se situent principalement dans la coque, tandis que les états de basse énergie restent encore confinés au noyau. Cette séparation conduit à un découplage électronique des états de trous à haute énergie et à basse énergie, qui est responsable du refroidissement ralenti observé."
Ce que cela pourrait signifier à l'avenir
Alors que le présent travail du CASP est basé sur les boîtes quantiques PbSe/CdSe, le concept d'« ingénierie de multiplication de porteuses » par contrôle du refroidissement intrabande est général, et devrait être réalisable avec d'autres combinaisons de matériaux et/ou de géométries de nanostructures.
Jeff Pietryga, le chimiste en chef du CASP dit :"Une amélioration supplémentaire de la multiplication des porteurs devrait être possible en combinant cette nouvelle approche avec d'autres moyens démontrés pour augmenter les rendements multiporteurs, comme en utilisant un contrôle de forme (comme dans les nanotiges) et/ou des matériaux dans lesquels le refroidissement est déjà naturellement plus lent, comme PbTe." Appliqués ensemble, ces stratégies pourraient fournir une voie pratique vers des nanostructures présentant des performances de multiplication de porteurs approchant les limites imposées par la conservation de l'énergie.
