Små kristaller, kända som kvantprickar, har gjort det möjligt för ett internationellt team att uppnå en kvanteffektivitet som överstiger 100 procent i fotoströmmen som genereras i en hybrid oorganisk-organisk halvledare.

Perovskites är spännande halvledare för ljusskördande applikationer och har redan visat imponerande prestanda i solceller. Men förbättringar i fotokonverteringseffektiviteten är nödvändiga för att ta denna teknik till en bredare marknad.

Ljus kommer i energipaket som kallas fotoner. När en halvledare absorberar en foton överförs den elektromagnetiska energin till en negativt laddad elektron och dess positivt laddade motsvarighet, känd som ett hål. Ett elektriskt fält kan svepa dessa partiklar i motsatta riktningar och därigenom tillåta en ström att flyta. Detta är grundfunktionen för en solcell. Det kanske låter enkelt, men att optimera kvanteffektiviteten, eller få så många elektron-hålspar från de inkommande fotonerna som möjligt, har varit ett långvarigt mål.

En orsak till ineffektivitet är att om fotonen har mer energi än vad som behövs för att skapa elektron-hålsparet, går överskottsenergin vanligtvis förlorad som värme. Men nanomaterial erbjuder en lösning. Små partiklar, som nanokristaller eller kvantprickar, kan omvandla högenergifotoner till mer än ett elektron-hålpar.

Jun Yin och Omar Mohammed från KAUST arbetade med Yifan Chen och Mingjie Li från Hong Kong Polytechnic University och deras kollegor för att demonstrera denna så kallade multipel excitongeneration (MEG) i nanokristaller av tenn-blyhalogenidperovskit. "Vi visade en fotoströms kvanteffektivitet som översteg 100 procent genom att utnyttja MEG i perovskite nanokristallenheter", säger Yin.

Tidigare har MEG observerats i perovskit nanokristaller med ett stort bandgap:det vill säga de halvledare som bara kan absorbera högenergifotoner.

Material med smalare bandgap utgör en större utmaning eftersom de exciterade elektron-hål-paren slappnar av, eller svalnar, för snabbt för att de ska kunna extraheras i en fungerande solcellsenhet. "Effektiv MEG i nanokristaller av perovskit med smalare bandgap och verifiering av deras inneboende MEG i praktiska optiska enheter har inte rapporterats", säger Yin.

Chen, Yin och teamet syntetiserade ett halvledande material som består av små partiklar av formamidiniumtenn–blyjodidperovskit—tillverkat av små mängder tenn—inbäddat i tennfri FAPbI₃ . Teamet tror att införandet av tenn hjälper till att bromsa "kylningen". "Vi kommer att kunna optimera perovskitenanokristallen ytterligare genom att ändra dess sammansättning för att erhålla högre MEG-prestanda och förbättra ljuseffektomvandlingen", säger Yin.

Forskningen publicerades i Nature Photonics . + Utforska vidare

Hjälper halvledare att hitta ett coolare sätt att koppla av