Kärna/skal PbSe/CdSe kvantprickar (a) och en bärarförökningsväg (CM) (b) i dessa nanostrukturer. (a) Transmissionselektronmikroskopibild av PbSe/CdSe-kvantprickar med tjockt skal utvecklat för denna studie. (b) Ett hett hål som genereras i skalet via absorption av en foton kolliderar med en kärnlokaliserad valensbandselektron, främja det över energiklyftan, som genererar ett andra elektron-hålspar. I tjockt skal PbSe/CdSe kvantprickar förstärks denna process på grund av långsam avslappning av skallokaliserade hål i kärnan.
(Phys.org) – Los Alamos-forskare har visat en nästan fyrfaldig ökning av bärarförökningsutbytet med nanokonstruerade kvantprickar. Bärarmultiplikation är när en enda foton kan excitera flera elektroner. Kvantprickar är nya nanostrukturer som kan bli grunden för nästa generation av solceller, kapabla att pressa ut ytterligare elektricitet ur den extra energin från blå och ultravioletta fotoner.
"Typiska solceller absorberar en stor del av solspektrumet, men på grund av den snabba kylningen av energiska (eller "heta") laddningsbärare, den extra energin från blå och ultravioletta solfotoner går till spillo på att producera värme, sa Victor Klimov, chef för Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) vid Los Alamos National Laboratory.
Få två för priset av en
"I princip, denna förlorade energi kan återvinnas genom att omvandla den till ytterligare fotoström via bärarmultiplikation. Isåfall, kollision av en varm bärare med en valensbandselektron exciterar den över energigapet, " sade Klimov. "På detta sätt, absorption av en enda foton från högenergiänden av solspektrumet producerar inte bara ett utan två elektron-hålpar, vilket i termer av effekt betyder att få två för priset av en."
Bärarförökning är ineffektiv i de fasta ämnen som används i vanliga solceller men är avsevärt förbättrad i ultrasmå halvledarpartiklar – även kallade kvantprickar – vilket först visades av LANL-forskare 2004 (Schaller &Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601, 2004). I konventionella kvantprickar, dock, bärvågsmultiplikation är inte tillräckligt effektiv för att öka uteffekten från praktiska enheter.
En ny studie utförd inom Center for Advanced Solar Photophysics visar att lämpligt konstruerade kärna/skal nanostrukturer gjorda av blyselenid och kadmiumselenid (PbSe och CdSe) kan öka bärarförökningsutbytet fyra gånger jämfört med enkla PbSe-kvantprickar.
Klimov förklarade, "Denna starka förbättring härrör främst från den ovanligt långsamma fononavslappningen av heta hål som fastnar i högenergitillstånd inom det tjocka CdSe-skalet. Den långa livslängden för dessa energihål underlättar en alternativ avslappningsmekanism via kollisioner med kärnlokaliserat valensband elektron som leder till mycket effektiv bärarmultiplikation."
Muttrar och bultar för långsammare kylning
För att inse effekten av bromsad bärarekylning har LANL-forskare tillverkat PbSe-kvantprickar med ett särskilt tjockt CdSe-skal. Qianglu Lin, en CASP-student som arbetar med syntesen av dessa material sa, "En slående egenskap hos de tjocka PbSe/CdSe-kvantprickarna är ganska ljusa synliga emissioner, från skalet, observeras samtidigt med den infraröda emissionen från kärnan. Detta visar att kylning inom bandet bromsas dramatiskt, så att hål finns i skalet tillräckligt länge för att producera utsläpp."
"Denna saktade avslappning, som ligger till grund för den observerade förbättringen av bärarmultiplikation, anknyter sannolikt till samspelet mellan kärna och skal-lokalisering av valensbandstillstånd", förklarade Nikolay Makarov, en spektroskopist som arbetar med detta projekt. Istvan Robel, en annan CASP-medlem lade till "Vår modellering indikerar att när skalet är tillräckligt tjockt, håltillstånden med högre energi låg främst i skalet, medan lågenergitillstånd fortfarande är begränsade till kärnan. Denna separation leder till elektronisk frikoppling av högre- och lägre energihålstillstånd, som är ansvarig för den observerade långsamma nedkylningen."
Vad detta kan betyda i framtiden
Medan det nuvarande CASP-arbetet är baserat på PbSe/CdSe-kvantprickar, konceptet med "bärvågsmultipliceringsteknik" genom kontroll av inombandskylning är generellt, och bör kunna realiseras med andra kombinationer av material och/eller nanostrukturgeometrier.
Jeff Pietryga, ledande CASP-kemist säger, "Ytterligare förbättring av bärvågsmultiplikation bör vara möjlig genom att kombinera detta nya tillvägagångssätt med andra demonstrerade sätt att öka utbytet av flera bärare, till exempel genom att använda formkontroll (som i nanorods) och/eller material där kylningen redan är naturligt långsammare, som PbTe." Tillämpas tillsammans, dessa strategier kan ge en praktisk väg till nanostrukturer som uppvisar bärarmultiplikationsprestanda som närmar sig gränserna för energibesparing.
