Modificerede kvantepunkter fanger mere energi fra lys og mister mindre for varme

Los Alamos National Laboratory-forskere har syntetiseret magnetisk-dopede kvantepunkter, der fanger den kinetiske energi af elektroner skabt af ultraviolet lys, før det spildes som varme.

"Denne opdagelse kan muligvis muliggøre nye, højeffektive solceller, lysdetektorer, fotokatoder og lysdrevne kemiske reaktioner, "sagde Victor Klimov, ledende forsker på laboratoriets kvantepunktsprojekt.

I standard solceller, en stor mængde sollys energi går til spilde som varme. Dette affald opstår på grund af manglen på effektive metoder til at fange kinetisk energi af 'varme' elektroner genereret af fotoner i den grønne til ultraviolette del af solens lysspektrum. Problemet er, at varme elektroner mister deres energi meget hurtigt på grund af interaktioner med krystalgitter, som enhederne er lavet af, hvilket fører til vibrationer kendt som fononer. Denne proces forekommer typisk i et par picosekunder (billioner af et sekund).

Tidligere bestræbelser på at indfange varmbærerenergi har udnyttet overførslen af ​​kinetisk energi fra den energiske varme elektron til en immobil, lavenergi elektron spændende det til en strømførende tilstand. Denne effekt, kendt som bærermultiplikation, fordobler antallet af elektroner, der bidrager til fotostrømmen, som kan bruges til at øge solcellernes ydeevne. I de fleste konventionelle materialer, imidlertid, energitabet til fononer overstiger energigevinsten ved bærermultiplikation.

I deres undersøgelse offentliggjort i dag i Naturnanoteknologi , forskere viser, at inkorporering af magnetiske ioner i kvantepunkter kan i høj grad øge nytten, energiproducerende interaktioner, så de bliver hurtigere end spildende fononspredning.

For at implementere disse ideer, forskerne forberedte mangandopede kvanteprikker baseret på cadmiumselenid. "Fotonen absorberet af cadmiumselenid-kvantepunktet skaber et elektronhullepar, eller en exciton, "sagde Klimov." Denne exciton fanges hurtigt af, at dopemidlet skaber en ophidset tilstand, der lagrer energi meget som en komprimeret fjeder. Når den anden foton absorberes af kvantepunktet, den lagrede energi frigives og overføres til den nyoprettede exciton, der fremmer den til en tilstand med højere energi. Energiudgivelsen af ​​manganionen ledsages af en vending af dens magnetiske moment, kendt som spin. Derfor kaldes denne proces spin-exchange Auger energioverførsel. "

En spændende observation af LANL-forskere var den ekstremt korte tidsskala for spin-exchange Auger-interaktionerne-omkring en tiendedel af et picosekund. Til deres overraskelse, disse interaktioner var hurtigere end fononemissioner, der generelt blev antaget at være den hurtigste proces inden for halvledermaterialer. For at bevise, at den nye effekt kunne slå fononassisteret køling, Los Alamos -forskere demonstrerede, at korrekt designet magnetisk dopede kvantepunkter gav dem mulighed for at udtrække en varm elektron skabt af en ultraviolet foton, før den mister sin energi til opvarmning af krystalgitteret.

Disse paradigmeskiftende fund åbner spændende muligheder for at udnytte spin-exchange Auger-processer i avancerede ordninger til at øge solcellers ydeevne eller drive usædvanlige fotokemiske reaktioner. Interessante muligheder overvejes også på områder med høj følsomhed, højhastigheds lysregistrering og nye typer lysdrevne elektronkilder.