Множественная генерация экситонов
В исследованиях солнечных элементов умножение носителей - это явление, при котором поглощение одного фотона приводит к возбуждению нескольких электронов из валентной зоны в зону проводимости. В теории обычного солнечного элемента каждый фотон способен возбудить только один электрон через запрещенную зону полупроводника, и любая избыточная энергия в этом фотоне рассеивается в виде тепла. В материале с умножением носителей высокоэнергетические фотоны возбуждают в среднем более одного электрона через запрещенную зону, и поэтому в принципе солнечный элемент может производить больше полезной работы.
В солнечных элементах с квантовыми точками возбужденный электрон в зоне проводимости взаимодействует с дыркой, которую он оставляет в валентной зоне, и этот составной незаряженный объект известен как экситон . Эффект умножения носителей в точке можно понимать как создание нескольких экситонов, и он называется генерацией множественных экситонов (МЭГ). МЭГ может значительно повысить эффективность преобразования энергии солнечных элементов на основе нанокристаллов , хотя извлечение энергии может быть затруднено из-за короткого времени жизни мультиэкситонов.
Квантово-механическое происхождение МЭГ все еще обсуждается, и было предложено несколько возможностей: [1]
Все вышеперечисленные модели могут быть описаны одной и той же математической моделью (матрицей плотности), которая может вести себя по-разному в зависимости от набора начальных параметров (сила связи между X и мульти-X, плотность состояний, скорости распада).
МЭГ был впервые обнаружен в 2004 году с использованием коллоидных квантовых точек PbSe [2] , а затем был обнаружен в квантовых точках других составов, включая PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si , [3] и InP . [4] Однако многие ранние исследования коллоидных квантовых точек значительно переоценивали эффект МЭГ из-за необнаруженного фотозаряда, проблема, позже выявленная и решенная путем энергичного перемешивания коллоидных образцов. [5] Генерация множественных экситонов впервые была продемонстрирована в функционирующем солнечном элементе в 2011 году, также с использованием коллоидных квантовых точек PbSe.[6] Генерация множественных экситонов была также обнаружена в полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубках (ОСНТ) при поглощении одиночных фотонов. [7] Для ОСНТ (6,5) поглощение одиночных фотонов с энергиями, в три раза превышающими энергетическую щель ОСНТ, приводит к эффективности генерации экситонов 130% на фотон. Порог генерации множественных экситонов в ОСНТ может быть близок к пределу, определяемому законом сохранения энергии.
Графен , который тесно связан с нанотрубками, является еще одним материалом, в котором наблюдалась множественная генерация экситонов. [8]
