Kolloide kvanteprikker får LED'er til at lyse klart i det infrarøde

Det ideelle optoelektroniske halvledermateriale ville være en stærk lysemitter og en effektiv ladningsleder for at tillade elektrisk indsprøjtning i enheder. Disse to forhold, når man mødes, kan føre til meget effektive lysdioder samt til solceller, der nærmer sig Shockley-Queisser-grænsen. Indtil nu, de materialer, der har været tættest på at opfylde disse betingelser, har været baseret på kostbare, epitaksialt dyrkede III-V-halvledere, der ikke kan integreres monolitisk til CMOS-elektronik.

ICFO-teamet rapporterer nu om et behandlet nanokompositsystem bestående af infrarøde kolloide kvanteprikker. Den opfylder disse kriterier, og på samme tid, tilbyder lavpris og nem CMOS-integration. Kolloide kvantepunkter (CQD'er) er halvlederpartikler eller krystaller så små som et par nanometer i størrelse, som derfor har unikke optiske og elektroniske egenskaber. De er fremragende absorbere og udsender af lys, og deres egenskaber ændrer sig som funktion af deres størrelse og form:Mindre kvanteprikker udsender i det blå område, mens større kvanteprikker udsender i det røde.

Brugen af ​​CQD LED'er kan bidrage til tredje generation, opløsningsbehandlede uorganiske solceller. Implementeringen af ​​disse nanokrystaller i enheder til optisk sansning i kortbølge og melleminfrarød har et stort antal applikationer, herunder overvågning, nattesyn, og miljøovervågning og spektroskopi.

I denne nylige undersøgelse, udgivet i Natur nanoteknologi , ICFO-forskere Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, og Alexandros Stavrinadis, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Gerasimos Konstantatos, har udviklet CQD infrarøde lysdioder med hidtil usete værdier i det infrarøde område, en ekstern kvanteeffektivitet på 7,9 procent og en effektkonverteringseffektivitet på 9,3 procent, en værdi, der aldrig før er opnået med denne type enhed.

Nøgletræk ved dette arbejde har været udviklingen af ​​en CQD-kompositstruktur konstrueret på det suprananokrystallinske niveau for at nå en hidtil uset lav elektronisk defekttæthed. Tidligere bestræbelser på at undertrykke elektroniske defekter i CQD-faststoffer har primært været baseret på kemisk passivering af CQD-overfladen, noget, der ikke kunne løse problemet i PbS QDs. Forskerne ved ICFO tog en alternativ vej til at skabe den passende matrix, hvori de indlejrede de udsendende QD'er, at tjene som en fjern elektronisk passivant for emitter CQD'erne. I øvrigt, det energiske landskab af matrixen blev konstrueret for at lette effektiv ladningstragt ind i QD-emitterne for at opnå effektiv elektrisk indsprøjtning.

Med disse nye hybridenheder, forskerne konstruerede solceller for at teste deres ydeevne i det infrarøde område. De opdagede, at den effektive passivering opnået i disse nanokompositter, sammen med moduleringen af ​​den elektroniske tæthed af tilstande, resulterer i solceller, der leverer tomgangsspænding meget tæt på den teoretiske grænse. Den åbne kredsløbsspænding (VOC), som er den maksimale spænding, der er tilgængelig fra en solcelle, øget fra 0,4 V for en enkelt QD-konfiguration, op til ~0,7 V for den ternære blandingskonfiguration, en imponerende værdi i betragtning af cellens lavere båndgab ved ~0,9 eV.

Forsker Gerasimos Konstantatos siger, "Det mest overraskende resultat af denne undersøgelse er den ekstremt lave elektroniske fældedensitet, der kan opnås i et ledende QD-materialesystem, der er fyldt med kemiske defekter, der opstår på overfladen af ​​prikkerne. Den meget høje kvanteeffektivitet af disse lysdioder er konsekvensen af denne passiveringsstrategi. Det andet spændende resultat er potentialet for at nå så høje VOC-værdier for QD-solceller, takket være den meget lave fældetæthed, såvel som til en ny ingeniørmæssig tilgang til tætheden af ​​tilstande i en halvlederfilm."

Santanu Pradhan, undersøgelsens første forfatter, tilføjer, "Dernæst vil vi fokusere på, hvordan vi yderligere kan udnytte denne reduktion af elektronisk tæthed af tilstande synergistisk med andre midler for at muliggøre samtidig opnåelse af høj Voc og nuværende produktion, derved målrette rekordeffektkonverteringseffektiviteter i solcelleenheder. "

Resultaterne opnået i denne undersøgelse viser, at konstruktionen af ​​QCD-infrarøde emitterende lysdioder på nanoskala integreret i solceller kan forbedre effektiviteten af ​​disse enheder betydeligt i det infrarøde område. Sådanne resultater åbner vejen ind til en række af de spektre, der stadig skal udnyttes fuldt ud og tilbyder fantastiske nye applikationer, såsom on-chip spektrometre til fødevareinspektion, miljøovervågning, overvågning af fremstillingsprocesser samt aktive billeddannelsessystemer til biomedicinske eller nattesynsapplikationer.