Det ideala optoelektroniska halvledarmaterialet skulle vara en stark ljusemitter och en effektiv laddningsledare för att möjliggöra elektrisk injektion i enheter. Dessa två villkor, när de träffades, kan leda till mycket effektiva lysdioder såväl som till solceller som närmar sig Shockley-Queisser-gränsen. Tills nu, det material som har kommit närmast att uppfylla dessa villkor har baserats på kostsamma, epitaxiellt odlade III-V-halvledare som inte kan monolitiskt integreras med CMOS-elektronik.

ICFO -teamet rapporterar nu ett bearbetat nanokompositsystem som innehåller infraröda kolloidala kvantpunkter. Den uppfyller dessa kriterier, och på samma gång, erbjuder låg kostnad och enkel CMOS -integration. Kolloidala kvantpunkter (CQD) är halvledarpartiklar eller kristaller så små som några nanometer stora, som därför har unika optiska och elektroniska egenskaper. De är utmärkta absorberare och avger ljus, och deras egenskaper ändras som en funktion av deras storlek och form:Mindre kvantprickar avger i det blå området medan större kvantprickar avger i rött.

Användningen av CQD-lysdioder kan bidra till tredje generationens, lösningsbehandlade oorganiska solceller. Implementeringen av dessa nanokristaller i enheter för optisk avkänning i kortvåg och mellan-infrarött har ett stort antal applikationer, inklusive övervakning, nattseende, och miljöövervakning och spektroskopi.

I denna senaste studie, publicerad i Naturnanoteknik , ICFO -forskare Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, och Alexandros Stavrinadis, ledd av ICREA Prof. på ICFO Gerasimos Konstantatos, har utvecklat CQD-infrarödstrålande lysdioder med oöverträffade värden inom det infraröda området, en extern kvanteffektivitet på 7,9 procent och en effektomvandlingseffektivitet på 9,3 procent, ett värde som aldrig tidigare uppnåtts med denna typ av enhet.

Nyckelfunktionen i detta arbete har varit utvecklingen av en CQD -kompositstruktur konstruerad på suprananokristallin nivå för att nå en oöverträffad låg elektronisk defektdensitet. Tidigare ansträngningar för att undertrycka elektroniska defekter i CQD -fasta ämnen har i första hand baserats på kemisk passivering av CQD -ytan, något som inte kunde lösa problemet i PbS QD:er. Forskarna vid ICFO tog en alternativ väg för att skapa den lämpliga matrisen där de inbäddade de utsändande QD:erna, att fungera som en fjärransluten elektronisk passivant för sändarens CQD:er. Dessutom, matrisens energiska landskap konstruerades för att underlätta effektiv laddningstransport i QD -sändarna för att uppnå effektiv elektrisk injektion.

Med dessa nya hybridenheter, forskarna konstruerade solceller för att testa deras prestanda inom det infraröda området. De upptäckte att den effektiva passiveringen uppnåddes i dessa nanokompositer, tillsammans med moduleringen av tillståndens elektroniska densitet, resulterar i solceller som levererar öppen kretsspänning mycket nära den teoretiska gränsen. Öppen kretsspänning (VOC), som är den maximala spänningen som är tillgänglig från en solcell, ökade från 0,4 V för en enda QD -konfiguration, upp till ~ 0,7 V för den ternära blandningskonfigurationen, ett imponerande värde med tanke på cellens lägre bandgap vid ~ 0,9 eV.

Forskaren Gerasimos Konstantatos säger, "Det mest överraskande fyndet i denna studie är den extremt låga elektroniska fälltätheten som kan uppnås i ett ledande QD -materialsystem som är fullt av kemiska defekter som uppstår på prickarnas yta. Den mycket höga kvanteffektiviteten hos dessa lysdioder är följden Det andra spännande resultatet är potentialen att nå så höga VOC -värden för QD -solceller, tack vare den mycket låga fälltätheten, såväl som till en ny teknisk metod för tillståndstätheten i en halvledarfilm. "

Santanu Pradhan, den första författaren till studien, lägger till, "Därefter kommer vi att fokusera på hur vi ytterligare kan utnyttja denna minskning av staternas elektroniska densitet synergistiskt med andra medel för att möjliggöra samtidig uppnående av hög Voc och aktuell produktion, därmed inriktad rekordeffektomvandlingseffektivitet i solcellsenheter. "

Resultaten som erhållits i denna studie visar att konstruktionen av QCD-infraröda emitterande lysdioder vid nanoskala integrerad i solceller kan avsevärt förbättra prestandaeffektiviteten för dessa enheter inom det infraröda området. Sådana resultat öppnar vägen in i en rad spektra som ännu inte ska utnyttjas fullt ut och erbjuder fantastiska nya applikationer, såsom on-chip-spektrometrar för livsmedelsinspektion, miljöövervakning, tillverkningsprocessövervakning samt aktiva avbildningssystem för biomedicinska eller nattvisionsapplikationer.