Punti quantici core/shell PbSe/CdSe (a) e un percorso di moltiplicazione del vettore (CM) (b) in queste nano strutture. (a) Immagine di microscopia elettronica a trasmissione di punti quantici PbSe/CdSe a guscio spesso sviluppata per questo studio. (b) Un foro caldo generato nel guscio tramite l'assorbimento di un fotone si scontra con un elettrone della banda di valenza localizzato nel nucleo, promuovendolo attraverso il divario energetico, che genera una seconda coppia elettrone-lacuna. Nei punti quantici PbSe/CdSe a guscio spesso questo processo è migliorato a causa del lento rilassamento dei fori localizzati nel guscio nel nucleo.
(Phys.org) — I ricercatori di Los Alamos hanno dimostrato un aumento di quasi quattro volte della resa della moltiplicazione dei portatori con punti quantici nanoingegnerizzati. La moltiplicazione del vettore è quando un singolo fotone può eccitare più elettroni. I punti quantici sono nuove nanostrutture che possono diventare la base della prossima generazione di celle solari, capace di spremere ulteriore elettricità dall'energia extra dei fotoni blu e ultravioletti.
"Le tipiche celle solari assorbono un'ampia porzione dello spettro solare, ma a causa del rapido raffreddamento dei portatori di carica energetici (o "caldi"), l'energia extra dei fotoni solari blu e ultravioletti viene sprecata nella produzione di calore, " ha detto Victor Klimov, direttore del Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) presso il Los Alamos National Laboratory.
Ottenere due al prezzo di uno
"In linea di principio, questa energia persa può essere recuperata convertendola in fotocorrente aggiuntiva tramite la moltiplicazione delle portanti. In quel caso, la collisione di un vettore caldo con un elettrone in banda di valenza lo eccita attraverso il gap energetico, "Klimov ha detto. "In questo modo, l'assorbimento di un singolo fotone dall'estremità ad alta energia dello spettro solare produce non solo una ma due coppie elettrone-lacuna, che in termini di potenza significa averne due al prezzo di uno."
La moltiplicazione del vettore è inefficiente nei solidi sfusi utilizzati nelle celle solari ordinarie, ma è notevolmente migliorata nelle particelle semiconduttrici ultrapiccole - chiamate anche punti quantici - come è stato dimostrato per la prima volta dai ricercatori LANL nel 2004 (Schaller &Klimov, Fis. Rev. Lett. 92, 186601, 2004). Nei punti quantici convenzionali, però, la moltiplicazione del vettore non è abbastanza efficiente per aumentare la potenza di dispositivi pratici.
Un nuovo studio condotto all'interno del Center for Advanced Solar Photophysics dimostra che le nanostrutture core/shell opportunamente progettate fatte di seleniuro di piombo e seleniuro di cadmio (PbSe e CdSe) possono aumentare di quattro volte la resa della moltiplicazione del vettore rispetto ai semplici punti quantici di PbSe.
Klimov ha spiegato, "Questo forte miglioramento deriva principalmente dal rilassamento fononico insolitamente lento di buchi caldi che rimangono intrappolati in stati ad alta energia all'interno dello spesso guscio di CdSe. La lunga durata di questi buchi energetici facilita un meccanismo di rilassamento alternativo tramite collisioni con la banda di valenza localizzata nel nucleo. elettrone che porta a una moltiplicazione dei portatori altamente efficiente."
I dadi e bulloni del rallentamento del raffreddamento
Per realizzare l'effetto del rallentamento del raffreddamento del vettore, i ricercatori di LANL hanno fabbricato punti quantici di PbSe con un guscio di CdSe particolarmente spesso. Qianglu Lin, uno studente CASP che lavora alla sintesi di questi materiali ha detto, "Una caratteristica sorprendente dei punti quantici di PbSe/CdSe a guscio spesso è l'emissione visibile abbastanza luminosa, dal guscio, osservato simultaneamente con l'emissione infrarossa dal nucleo. Ciò mostra che il raffreddamento intrabanda è rallentato drasticamente, in modo che i fori risiedano nel guscio abbastanza a lungo da produrre emissione."
"Questo rilassamento rallentato, che è alla base del miglioramento osservato della moltiplicazione dei portatori, probabilmente si riferisce all'interazione tra localizzazione core e shell degli stati della banda di valenza" ha spiegato Nikolay Makarov, uno spettroscopista che lavora a questo progetto. Istvan Robel, un altro membro del CASP ha aggiunto "Il nostro modello indica che quando il guscio è abbastanza spesso, gli stati del buco ad energia più alta si trovano principalmente nel guscio, mentre gli stati a bassa energia rimangono ancora confinati al nucleo. Questa separazione porta al disaccoppiamento elettronico degli stati di buchi a energia più alta da quelli a bassa energia, responsabile del rallentamento del raffreddamento osservato."
Cosa potrebbe significare in futuro
Mentre il presente lavoro CASP si basa su punti quantici PbSe/CdSe, il concetto di "ingegneria della moltiplicazione delle portanti" attraverso il controllo del raffreddamento intrabanda è generale, e dovrebbe essere realizzabile con altre combinazioni di materiali e/o geometrie di nanostrutture.
Jeff Pietryga, capo chimico CASP dice, "Un ulteriore miglioramento nella moltiplicazione dei portatori dovrebbe essere possibile combinando questo nuovo approccio con altri mezzi dimostrati per aumentare i rendimenti dei portatori multipli, ad esempio utilizzando il controllo della forma (come nei nanorod) e/o materiali in cui il raffreddamento è già naturalmente più lento, come PbTe." Applicati insieme, queste strategie potrebbero fornire un percorso pratico per nanostrutture che esibiscono prestazioni di moltiplicazione dei portatori che si avvicinano ai limiti imposti dal risparmio energetico.
