Il materiale semiconduttore optoelettronico ideale sarebbe un forte emettitore di luce e un efficiente conduttore di carica per consentire l'iniezione elettrica nei dispositivi. Queste due condizioni, quando incontrato, può portare a LED altamente efficienti così come a celle solari che si avvicinano al limite di Shockley-Queisser. Fino ad ora, i materiali che si sono avvicinati di più a soddisfare queste condizioni si sono basati su costosi, semiconduttori III-V cresciuti epitassialmente che non possono essere integrati monoliticamente all'elettronica CMOS.

Il team dell'ICFO ora segnala un sistema nanocomposito elaborato che comprende punti quantici colloidali a infrarossi. Risponde a questi criteri, e allo stesso tempo, offre un'integrazione CMOS a basso costo e facile. I punti quantici colloidali (CQD) sono particelle o cristalli semiconduttori di dimensioni di pochi nanometri, che quindi hanno proprietà ottiche ed elettroniche uniche. Sono ottimi assorbitori ed emettitori di luce, e le loro proprietà cambiano in funzione della loro dimensione e forma:i punti quantici più piccoli emettono nella gamma blu mentre i punti quantici più grandi emettono nel rosso.

L'uso dei LED CQD potrebbe contribuire alla terza generazione, celle solari inorganiche processate in soluzione. L'implementazione di questi nanocristalli in dispositivi per il rilevamento ottico nell'onda corta e nel medio infrarosso ha un vasto numero di applicazioni, compresa la sorveglianza, visione notturna, e monitoraggio ambientale e spettroscopia.

In questo recente studio, pubblicato in Nanotecnologia della natura , I ricercatori dell'ICFO Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, e Alexandros Stavrinadis, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Gerasimos Konstantatos, hanno sviluppato LED a emissione di infrarossi CQD con valori senza precedenti nella gamma degli infrarossi, un'efficienza quantica esterna del 7,9 percento e un'efficienza di conversione della potenza del 9,3 percento, un valore mai raggiunto prima con questo tipo di dispositivo.

La caratteristica chiave di questo lavoro è stato lo sviluppo di una struttura composita CQD progettata a livello soprarananocristallino per raggiungere una densità di difetti elettronici senza precedenti. Gli sforzi precedenti nella soppressione dei difetti elettronici nei solidi CQD si sono basati principalmente sulla passivazione chimica della superficie CQD, qualcosa che non poteva risolvere il problema in PbS QDs. I ricercatori dell'ICFO hanno intrapreso un percorso alternativo per creare la matrice appropriata in cui hanno incorporato i QD emettitori, per fungere da passivante elettronico remoto per i CQD dell'emettitore. Inoltre, il panorama energetico della matrice è stato progettato per facilitare l'efficiente imbuto di carica negli emettitori QD al fine di ottenere un'iniezione elettrica efficiente.

Con questi nuovi dispositivi ibridi, i ricercatori hanno costruito celle solari per testare le loro prestazioni nella gamma dell'infrarosso. Hanno scoperto che l'effettiva passivazione ottenuta in questi nanocompositi, insieme alla modulazione della densità elettronica degli stati, risultati in celle solari che forniscono una tensione a circuito aperto molto vicino al limite teorico. La tensione a circuito aperto (VOC), che è la tensione massima disponibile da una cella solare, aumentato da 0,4 V per una singola configurazione QD, fino a ~0,7 V per la configurazione a miscela ternaria, un valore impressionante considerando il bandgap inferiore della cella a ~0.9 eV.

Il ricercatore Gerasimos Konstantatos afferma:"La scoperta più sorprendente di questo studio è la densità di trappole elettroniche estremamente bassa che può essere ottenuta in un sistema di materiale QD conduttivo pieno di difetti chimici che si verificano sulla superficie dei punti. L'efficienza quantica molto elevata di quei LED è la conseguenza di questa strategia di passivazione L'altro risultato entusiasmante è il potenziale per raggiungere valori VOC così elevati per le celle solari QD, grazie alla bassissima densità di trappole, così come a un nuovo approccio ingegneristico della densità degli stati in un film di semiconduttori".

Santanu Pradhan, il primo autore dello studio, aggiunge, "Successivamente ci concentreremo su come sfruttare ulteriormente questa riduzione della densità elettronica degli stati in sinergia con altri mezzi per consentire il raggiungimento simultaneo di alta Voc e produzione attuale, mirando così a efficienze di conversione di potenza record nei dispositivi a celle solari".

I risultati ottenuti in questo studio dimostrano che l'ingegneria dei LED QCD che emettono infrarossi su scala nanometrica integrati nelle celle solari può migliorare significativamente l'efficienza delle prestazioni di questi dispositivi nella gamma degli infrarossi. Tali risultati aprono la strada a una gamma di spettri che deve ancora essere pienamente sfruttata e offre nuove sorprendenti applicazioni, come spettrometri su chip per l'ispezione degli alimenti, monitoraggio ambientale, monitoraggio dei processi di produzione e sistemi di imaging attivo per applicazioni biomediche o di visione notturna.