Le matériau semi-conducteur optoélectronique idéal serait un puissant émetteur de lumière et un conducteur de charge efficace pour permettre l'injection électrique dans les dispositifs. Ces deux conditions, une fois rencontré, peut conduire à des LED très efficaces ainsi qu'à des cellules solaires qui approchent la limite de Shockley-Queisser. Jusqu'à maintenant, les matériaux qui se sont rapprochés le plus de ces conditions ont été basés sur des semi-conducteurs III-V cultivés par épitaxie qui ne peuvent pas être intégrés de manière monolithique à l'électronique CMOS.

L'équipe ICFO rapporte maintenant un système nanocomposite traité comprenant des points quantiques colloïdaux infrarouges. Il répond à ces critères, et en même temps, offre une intégration CMOS à faible coût et facile. Les points quantiques colloïdaux (CQD) sont des particules ou des cristaux semi-conducteurs aussi petits que quelques nanomètres, qui ont donc des propriétés optiques et électroniques uniques. Ce sont d'excellents absorbeurs et émetteurs de lumière, et leurs propriétés changent en fonction de leur taille et de leur forme :les points quantiques plus petits émettent dans le bleu tandis que les points quantiques plus grands émettent dans le rouge.

L'utilisation de LED CQD pourrait contribuer à la troisième génération, cellules solaires inorganiques traitées en solution. La mise en œuvre de ces nanocristaux dans des dispositifs de détection optique dans l'onde courte et l'infrarouge moyen a un grand nombre d'applications, y compris la surveillance, vision nocturne, et la surveillance de l'environnement et la spectroscopie.

Dans cette étude récente, Publié dans Nature Nanotechnologie , Les chercheurs de l'ICFO Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, et Alexandros Stavrinadis, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Gerasimos Konstantatos, ont développé des LED CQD émettant dans l'infrarouge avec des valeurs sans précédent dans la gamme infrarouge, un rendement quantique externe de 7,9 % et un rendement de conversion de puissance de 9,3 %, une valeur jamais atteinte auparavant avec ce type d'appareil.

La caractéristique clé de ce travail a été le développement d'une structure composite CQD conçue au niveau suprananocristallin pour atteindre une densité de défauts électroniques sans précédent. Les efforts antérieurs pour supprimer les défauts électroniques dans les solides CQD étaient principalement basés sur la passivation chimique de la surface CQD, quelque chose qui ne pouvait pas résoudre le problème dans PbS QDs. Les chercheurs de l'ICFO ont emprunté une voie alternative en créant la matrice appropriée dans laquelle ils ont intégré les QD émetteurs, pour servir de passivant électronique à distance pour les CQD émetteurs. De plus, le paysage énergétique de la matrice a été conçu afin de faciliter un canal de charge efficace dans les émetteurs QD afin de réaliser une injection électrique efficace.

Avec ces nouveaux appareils hybrides, les chercheurs ont construit des cellules solaires pour tester leurs performances dans la gamme infrarouge. Ils ont découvert que la passivation efficace obtenue dans ces nanocomposites, ainsi que la modulation de la densité électronique d'états, résulte en des cellules solaires qui délivrent une tension en circuit ouvert très proche de la limite théorique. La tension en circuit ouvert (VOC), qui est la tension maximale disponible à partir d'une cellule solaire, augmenté de 0,4 V pour une seule configuration QD, jusqu'à ~0,7 V pour la configuration de mélange ternaire, une valeur impressionnante compte tenu de la bande interdite inférieure de la cellule à ~0,9 eV.

Le chercheur Gerasimos Konstantatos dit :"La découverte la plus surprenante de cette étude est la densité de pièges électroniques extrêmement faible qui peut être obtenue dans un système de matériau QD conducteur qui est plein de défauts chimiques apparaissant à la surface des points. L'efficacité quantique très élevée de ces LED est la conséquence de cette stratégie de passivation. L'autre résultat intéressant est le potentiel d'atteindre des valeurs de COV aussi élevées pour les cellules solaires QD, grâce à la très faible densité de pièges, ainsi qu'à une nouvelle approche d'ingénierie de la densité d'états dans un film semi-conducteur."

Santanu Pradhan, le premier auteur de l'étude, ajoute, "Ensuite, nous nous concentrerons sur la façon d'exploiter davantage cette réduction de la densité électronique des états en synergie avec d'autres moyens pour permettre l'obtention simultanée d'une production élevée de COV et de courant, ciblant ainsi des rendements de conversion de puissance record dans les appareils à cellules solaires. »

Les résultats obtenus dans cette étude prouvent que l'ingénierie des LED émettant des infrarouges QCD à l'échelle nanométrique intégrées dans les cellules solaires peut améliorer considérablement l'efficacité des performances de ces dispositifs dans la gamme infrarouge. De tels résultats ouvrent la voie à une gamme de spectres encore à exploiter pleinement et offrent de nouvelles applications étonnantes, tels que les spectromètres sur puce pour l'inspection des aliments, surveillance de l'environnement, la surveillance des processus de fabrication ainsi que les systèmes d'imagerie active pour les applications biomédicales ou de vision nocturne.