El material semiconductor optoelectrónico ideal debería ser un emisor de luz fuerte, es decir, debería emitir luz de manera muy eficiente tras la excitación óptica, así como ser un conductor de carga eficiente para permitir la inyección eléctrica en los dispositivos. Estas dos condiciones cuando se cumplen pueden conducir a una emisión de luz altamente eficientediodos y células solares con la posibilidad de acercarse al límite de Shockley-Queisser. Hasta ahora, los materiales que se han acercado al cumplimiento de estas condiciones se han basado en costosos semiconductores III-V de crecimiento epitaxial que no pueden integrarse monolíticamente a la electrónica CMOS.
El equipo de ICFO ha informado de un sistema de nanocompuesto procesado en solución que comprende puntos cuánticos coloidales infrarrojos que también cumple con estos criterios y al mismo tiempo ofrece una integración CMOS fácil y de bajo costo. Los puntos cuánticos coloidales CQD son partículas semiconductoras o cristales extremadamente pequeños, comoDe tamaño tan pequeño como unos pocos nanómetros, y debido a su tamaño son capaces de tener propiedades ópticas y electrónicas únicas. Son excelentes absorbedores y emisores de luz, y sus propiedades cambian en función de su tamaño y forma: emiten puntos cuánticos más pequeñosen el rango azul mientras que los puntos cuánticos más grandes emiten en rojo.
El uso de diodos emisores de luz LED de punto cuántico coloidal CQD se ha convertido en uno de los ingredientes clave en tecnologías líderes como, por ejemplo, células solares inorgánicas de 3a generación, procesadas en solución y procesadas. La implementación de estos nanocristalesEn los dispositivos para la detección óptica en el infrarrojo de onda corta y media se han desencadenado una gran cantidad de aplicaciones que incluyen vigilancia, visión nocturna, monitoreo y espectroscopía de productos, procesos y medio ambiente.
En este reciente estudio publicado en Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores de ICFO Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou y Alexandros Stavrinadis, dirigidos por ICREA Prof. en ICFO Gerasimos Konstantatos, han desarrollado LED de emisión infrarroja CQD, que han alcanzado valores sin precedentes en el infrarrojo, con una eficiencia cuántica externa del 7,9% y una eficiencia de conversión de energía del 9,3%, un valor nunca antes alcanzado con este tipo de dispositivos.
La característica clave de este trabajo ha sido el desarrollo de una estructura compuesta CQD diseñada a nivel supranancristalino para alcanzar una densidad de defectos electrónicos sin precedentes. Los esfuerzos previos para suprimir defectos electrónicos en sólidos CQD se han basado principalmente en la pasivación química de CQDsuperficie, algo que no pudo resolver el problema en los QD de PbS. Los investigadores de ICFO tomaron un camino alternativo para crear la matriz apropiada en la que incrustaban los QD emisores, para que sirviera como pasivo electrónico remoto para los CQD del emisor. Además, la energíaEl paisaje de la matriz se diseñó para facilitar la canalización eficiente de la carga hacia los emisores QD para lograr una inyección eléctrica eficiente.
Con estos nuevos dispositivos de mezcla, el equipo de investigadores dio un paso más y construyó células solares para probar su rendimiento en el rango infrarrojo. Al hacerlo, descubrieron que la pasivación efectiva lograda en estos nanocompuestos junto con la modulación de la densidad electrónicade estados ha dado como resultado células solares que entregan voltaje de circuito abierto muy cerca del límite teórico. El voltaje de circuito abierto VOC, que es el voltaje máximo disponible de una célula solar, aumentó de 0.4 V para una sola configuración QD, hasta~ 0.7 V para la configuración de mezcla ternaria, un valor impresionante considerando el intervalo de banda más bajo de la celda a ~ 0.9 eV.
Como comenta ICREA Prof en ICFO Gerasimos Konstantatos, "El hallazgo más sorprendente de este estudio es la densidad de trampa electrónica extremadamente baja que se puede lograr en un sistema de material QD conductivo que está lleno de defectos químicos que surgen en la superficie de los puntos,La muy alta eficiencia cuántica de esos LED ha sido la consecuencia de esta estrategia de pasivación que demostramos. El otro resultado emocionante ha sido el potencial de alcanzar valores de Voc tan altos para las células solares QD que también se lograron sinérgicamente gracias a la muy baja densidad de trampa.en cuanto a un nuevo enfoque de ingeniería de la densidad de estados en una película de semiconductores ". Santanu Pradhan, el primer autor de este estudio agrega:" A continuación, nos centraremos en cómo explotar aún más esta reducción de la densidad electrónica de estados sinérgicamente con otros medios parapermitir el logro simultáneo de alto Voc y producción actual, con el objetivo de lograr eficiencias de conversión de energía récord en dispositivos de células solares ".
Los resultados obtenidos en este estudio demuestran que la ingeniería de los LED emisores de infrarrojos QCD a escala nanométrica integrados en las células solares puede mejorar significativamente la eficiencia de rendimiento de estos dispositivos en el rango infrarrojo. Estos resultados abren el camino hacia un rango de espectrostodavía está por explotar por completo y ofrece nuevas aplicaciones sorprendentes, como espectrómetros en chip para inspección de alimentos, monitoreo ambiental, monitoreo de procesos de fabricación, así como sistemas de imágenes activos para aplicaciones biomédicas o de visión nocturna.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por ICFO-El Instituto de Ciencias Fotónicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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