Overskrider 100 procent kvanteeffektivitet i fotostrømmen af ​​en hybrid uorganisk-organisk halvleder

Små krystaller, kendt som kvanteprikker, har gjort det muligt for et internationalt team at opnå en kvanteeffektivitet, der overstiger 100 procent i fotostrømmen, der genereres i en hybrid uorganisk-organisk halvleder.

Perovskites er spændende halvledere til lys-høstningsapplikationer og har allerede vist nogle imponerende præstationer i solceller. Men forbedringer i fotokonverteringseffektiviteten er nødvendige for at bringe denne teknologi til et bredere marked.

Lys kommer i energipakker kendt som fotoner. Når en halvleder absorberer en foton, overføres den elektromagnetiske energi til en negativt ladet elektron og dens positivt ladede modstykke, kendt som et hul. Et elektrisk felt kan feje disse partikler i modsatte retninger og derved tillade en strøm at flyde. Dette er den grundlæggende drift af en solcelle. Det lyder måske simpelt, men at optimere kvanteeffektiviteten eller få så mange elektron-hul-par fra de indkommende fotoner som muligt, har været et langvarigt mål.

En årsag til ineffektivitet er, at hvis fotonen har mere energi end nødvendigt for at skabe elektron-hul-parret, går den overskydende energi normalt tabt som varme. Men nanomaterialer tilbyder en løsning. Små partikler, såsom nanokrystaller eller kvanteprikker, kan konvertere højenergifotoner til mere end ét elektron-hul-par.

Jun Yin og Omar Mohammed fra KAUST arbejdede sammen med Yifan Chen og Mingjie Li fra Hong Kong Polytechnic University og deres kolleger for at demonstrere denne såkaldte multiple exciton generation (MEG) i nanokrystaller af tin-blyhalogenid perovskit. "Vi demonstrerede en fotostrøms kvanteeffektivitet på over 100 procent ved at udnytte MEG i perovskit nanokrystal-enhederne," siger Yin.

Tidligere er MEG blevet observeret i perovskit-nanokrystaller med et stort båndgab:det vil sige de halvledere, der kun kan absorbere højenergifotoner.

Materialer med smallere båndgab udgør en større udfordring, fordi de exciterede elektron-hul-par slapper af eller afkøles for hurtigt til, at de kan udvindes i en fungerende solcelleenhed. "Effektiv MEG i perovskit nanokrystaller med smallere båndgab og verifikation af deres iboende MEG i praktiske optiske enheder er ikke blevet rapporteret," siger Yin.

Chen, Yin og teamet syntetiserede et halvledende materiale sammensat af bittesmå partikler af formamidinium tin-blyjodid perovskit - fremstillet ved hjælp af små mængder tin - indlejret i tinfri FAPbI₃ . Holdet mener, at introduktionen af ​​tin hjælper med at bremse "afkølingen". "Vi vil være i stand til yderligere at optimere perovskit-nanokrystallen ved at ændre dens sammensætning for at opnå højere MEG-ydeevne og forbedret lyseffektkonverteringen," siger Yin.

Forskningen blev offentliggjort i Nature Photonics . + Udforsk yderligere

Hjælper halvledere med at finde en køligere måde at slappe af på