Kvanteprikker forbedrer lys-til-strøm konvertering i lagdelte halvledere

At udnytte solens kraft og skabe lysindsamlings- eller lysfølende enheder kræver et materiale, der både absorberer lys effektivt og omdanner energien til meget mobil elektrisk strøm. At finde den ideelle blanding af egenskaber i et enkelt materiale er en udfordring, så videnskabsmænd har eksperimenteret med måder at kombinere forskellige materialer for at skabe "hybrider" med forbedrede funktioner.

I to netop offentliggjorte artikler, forskere fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, og University of Nebraska beskriver en sådan tilgang, der kombinerer kvanteprikkernes fremragende lysindsamlingsegenskaber med den justerbare elektriske ledningsevne af en lagdelt tindisulfid-halvleder. Hybridmaterialet udviste forbedrede lys-høstende egenskaber gennem absorption af lys af kvanteprikkerne og deres energioverførsel til tindisulfid, både i laboratorietest og når de er inkorporeret i elektroniske enheder. Forskningen baner vejen for at bruge disse materialer i optoelektroniske applikationer såsom energihøstende solceller, lyssensorer, og lysemitterende dioder (LED'er).

Ifølge Mircea Cotlet, den fysiske kemiker, der ledede dette arbejde ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science brugerfacilitet, "Todimensionelle metal-dichalcogenider som tindisulfid har nogle lovende egenskaber til solenergiomdannelse og fotodetektorapplikationer, inklusive et højt overflade-til-volumen-formatforhold. Men intet halvledende materiale har det hele. Disse materialer er meget tynde, og de er dårlige lysabsorberende. Så vi prøvede at blande dem med andre nanomaterialer som lysabsorberende kvanteprikker for at forbedre deres ydeevne gennem energioverførsel."

Et papir, netop offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , beskriver en grundlæggende undersøgelse af hybrid quantum dot/tin disulfid materiale i sig selv. Værket analyserer, hvordan lys exciterer kvanteprikkerne (lavet af en cadmiumselenidkerne omgivet af en zinksulfidskal), som derefter overfører den absorberede energi til lag af nærliggende tindisulfid.

"Vi har fundet frem til en interessant tilgang til at skelne energioverførsel fra ladningsoverførsel, to almindelige typer interaktioner fremmet af lys i sådanne hybrider, " sagde Prahlad Routh, en kandidatstuderende fra Stony Brook University, der arbejder med Cotlet og med-førsteforfatter af ACS Nano papir. "Vi gør dette ved hjælp af enkelt nanokrystalspektroskopi for at se på, hvordan individuelle kvanteprikker blinker, når de interagerer med arklignende tindisulfid. Denne ligefremme metode kan vurdere, om komponenter i sådanne halvledende hybrider interagerer enten ved energi eller ved ladningsoverførsel."

Forskerne fandt ud af, at hastigheden for ikke-strålende energioverførsel fra individuelle kvanteprikker til tindisulfid stiger med et stigende antal tindisulfidlag. Men ydeevne i laboratorietest er ikke nok til at bevise fordelene ved potentielle nye materialer. Så forskerne inkorporerede hybridmaterialet i en elektronisk enhed, en foto-felt-effekt-transistor, en type fotondetektor, der almindeligvis anvendes til lysregistreringsapplikationer.

Som beskrevet i et papir offentliggjort online 24. marts i Anvendt fysik bogstaver , hybridmaterialet forbedrede dramatisk ydeevnen af ​​fotofelteffekttransistorerne, hvilket resulterede i en fotostrømrespons (konvertering af lys til elektrisk strøm), der var 500 procent bedre end transistorer fremstillet med tindisulfidmaterialet alene.

"Denne form for energioverførsel er en nøgleproces, der muliggør fotosyntese i naturen, " sagde Chang-Yong Nam, en materialeforsker ved Center for Funktionelle Nanomaterialer og medkorresponderende forfatter til APL-papiret. "Forskere har forsøgt at efterligne dette princip i elektriske apparater til lysindsamling, men det har især været vanskeligt for nye materialesystemer, såsom tindisulfid, vi undersøgte. Vores enhed demonstrerer de ydelsesfordele, der opnås ved at bruge både energioverførselsprocesser og nye lavdimensionelle materialer."

Cotlet konkluderer, "Ideen om at 'doptere' todimensionelle lagdelte materialer med kvanteprikker for at forbedre deres lysabsorberende egenskaber viser løfte om at designe bedre solceller og fotodetektorer."