通過合成含有錫基納米顆粒（稱為量子點）的半導(dǎo)體材料，包括KAUST在內(nèi)的國際研究小組實現(xiàn)了令人印象深刻的光功率轉(zhuǎn)換。圖片來源：KAUST/Heno Hwang
被稱為量子點的微小晶體使一個國際團隊能夠在雜化無機有機半導(dǎo)體中產(chǎn)生的光電流中實現(xiàn)超過100%的量子效率。
鈣鈦礦是用于光收集應(yīng)用的令人興奮的半導(dǎo)體，并且已經(jīng)在太陽能電池中顯示出一些令人印象深刻的性能。但是，提高光轉(zhuǎn)換效率對于將這項技術(shù)推向更廣闊的市場是必要的。
光以稱為光子的能量包形式出現(xiàn)。當(dāng)半導(dǎo)體吸收光子時，電磁能量被轉(zhuǎn)移到帶負電的電子及其帶正電的對應(yīng)物上，稱為空穴。電場可以以相反的方向掃描這些粒子，從而允許電流流動。這是太陽能電池的基本操作。這聽起來可能很簡單，但優(yōu)化量子效率，或者從入射光子中獲得盡可能多的電子 – 空穴對，一直是一個長期的目標(biāo)。
效率低下的一個原因是，如果光子的能量超過創(chuàng)建電子 – 空穴對所需的能量，則多余的能量通常以熱量的形式損失。但納米材料提供了一種解決方案。小粒子，如納米晶體或量子點，可以將高能光子轉(zhuǎn)化為多個電子 – 空穴對。
來自KAUST的Jun Yin和Omar Mohammed與來自香港理工大學(xué)的Yifan Chen和Mingjie Li及其同事合作，在錫鉛鹵化物鈣鈦礦的納米晶體中演示了這種所謂的多重激子生成（MEG）。“我們通過利用鈣鈦礦納米晶體器件中的MEG證明了光電流量子效率超過100%，”Yin說。
過去，在鈣鈦礦納米晶體中觀察到MEG具有較大的帶隙：即那些只能吸收高能光子的半導(dǎo)體。
較窄的帶隙材料提出了更大的挑戰(zhàn)，因為激發(fā)的電子 – 空穴對松弛或冷卻得太快，以至于它們無法在功能正常的太陽能電池器件中提取。“窄帶隙鈣鈦礦納米晶體中的高效MEG及其在實際光學(xué)器件中固有的MEG的驗證尚未報道，”Yin說。
Chen，Yin和團隊合成了一種半導(dǎo)體材料，該材料由甲脒錫 – 碘化鉛鈣鈦礦的微小顆粒組成 – 使用少量錫制成 – 嵌入無錫FAPbI中3.該團隊認(rèn)為，錫的引入有助于減緩“冷卻”。“我們將能夠通過改變其組成來進一步優(yōu)化鈣鈦礦納米晶體，以獲得更高的MEG性能并改善光功率轉(zhuǎn)換，”Yin說。
該研究發(fā)表在Nature Photonics上。
更多信息：陳軼凡等， 鹵化錫鉛鈣鈦礦納米晶中多激子生成用于光電流量子效率增強， Nature Photonics （2022）.DOI： 10.1038/s41566-022-01006-x
期刊信息：自然光子學(xué)
