Генерация множественных экситонов - Multiple exciton generation

Разбивка причин Предел Шокли-Кайссера. Черная высота - это предел Шокли-Кайссера для максимальной энергии, которая может быть извлечена как полезная электрическая мощность в общепринятый солнечная батарея. Однако солнечный элемент, генерирующий несколько экситонов, также может использовать часть энергии в зеленой области (и в меньшей степени в синей области), а не тратить ее в качестве тепла. Следовательно, теоретически он может превышать предел Шокли-Кейссера.

В солнечная батарея исследование, умножение несущих это явление, при котором поглощение одного фотон приводит к возбуждению множества электронов из валентной зоны в зону проводимости. в теория обычного солнечного элемента, каждый фотон может возбудить только один электрон через запрещенная зона полупроводника, и любая избыточная энергия в этом фотоне рассеивается в виде тепла. В материале с умножением носителей фотоны высокой энергии возбуждают в среднем более одного электрона в запрещенной зоне, поэтому в принципе солнечный элемент может производить более полезную работу.

В солнечные элементы 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 несущих в точке можно понимать как создание нескольких экситонов, и он называется генерация множественных экситонов (МЭГ). МЭГ может значительно увеличить преобразование энергии эффективность нанокристалл основан солнечные батареи, 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]

  • 1) Ударная ионизация: свет возбуждает высокоэнергетический экситон (X), который необратимо распадается на квазиконтинуум мультиэкситонных (мульти-X) состояний, доступных при этой энергии. Модель требует только плотность состояний мультиэкситонов очень велики, а кулоновская связь между X и multi-X может быть довольно маленькой.
  • 2) Связный суперпозиция одно- и многоэкситонных состояний: самая первая предложенная модель, но очень упрощенная (не учитывается высокая плотность состояний мульти-X). Свет возбуждает X (что неверно собственное состояние системы), которые затем могут когерентно конвертировать в мульти-X и обратно в X много раз (квантовые удары ). Этот процесс требует, чтобы кулоновская связь между ними была намного сильнее, чем скорость распада через фононы (что обычно не так). В конце концов возбуждение распадется через фононы на более низкую энергию X или мульти-X, в зависимости от того, какой из распадов быстрее.
  • 3) Мультиэкситонное образование через виртуальное экситонное состояние. Свет прямо возбуждает собственное состояние системы (в данном случае когерентной смеси X и мульти-X). Термин «виртуальный» здесь относится к чистому X, потому что он не является истинным собственным состоянием системы (то же самое для модели 2).

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, скорость распада).

МЭГ впервые наблюдали в 2004 году с использованием коллоидных PbSe квантовые точки[2] а позже был обнаружен в квантовых точках другого состава, в том числе PbS, PbTe, CdS, CdSe, InAs, Si,[3] и InP.[4] Генерация множественных экситонов была впервые продемонстрирована в действующем солнечном элементе в 2011 году, также с использованием коллоидных квантовых точек PbSe.[5] Множественная генерация экситонов обнаружена также в полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубках (ОСНТ) при поглощении одиночных фотонов.[6] Для (6,5) ОСНТ поглощение одиночных фотонов с энергиями, в три раза превышающими ширину запрещенной зоны ОСНТ, приводит к эффективности генерации экситонов 130% на фотон. Порог генерации множественных экситонов в ОСНТ может быть близок к пределу, определяемому сохранением энергии.

Графен, который тесно связан с нанотрубками, является еще одним материалом, в котором наблюдалась множественная генерация экситонов.[7]

Генерация двойных экситонов дополнительно наблюдалась в органических пентацен производные путем деления синглетных экситонов с чрезвычайно высокой квантовой эффективностью.[8]

Рекомендации

  1. ^ Тиммерман, Д .; Изеддин, И .; Сталлинга, П .; Ясиевич, И. Н .; Грегоркевич, Т. (2008). «Разделенная квантовая резка с кремниевыми нанокристаллами для фотоэлектрических приложений». Природа Фотоника. 2 (2): 105. Bibcode:2008НаФо ... 2..105Т. Дои:10.1038 / nphoton.2007.279.
  2. ^ Schaller, R .; Климов, В. (2004). «Высокоэффективное умножение носителей в нанокристаллах PbSe: значение для преобразования солнечной энергии». Письма с физическими проверками. 92 (18): 186601. arXiv:cond-mat / 0404368. Bibcode:2004ПхРвЛ..92р6601С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.186601. PMID  15169518.
  3. ^ Борода, MC; Кнутсен, КП; Ага; Лютер, JM; Песня, Q; Metzger, WK; Ellingson, RJ; Нозик, AJ (2007). «МЭГ в нанокристаллах коллоидного кремния». Нано буквы. 7 (8): 2506–12. Bibcode:2007NanoL ... 7.2506B. Дои:10.1021 / nl071486l. PMID  17645368.
  4. ^ Стаббс, Стюарт К .; Hardman, Samantha J. O .; Грэм, Даррен М .; Спенсер, Бен Ф .; Флавелл, Венди Р .; Гларви, Пол; Масала, Омбретта; Пикетт, Найджел Л .; Бинкс, Дэвид Дж. (2010). «Эффективное умножение носителей в наночастицах InP» (PDF). Физический обзор B. 81 (8): 081303. Bibcode:2010ПхРвБ..81х1303С. Дои:10.1103 / PhysRevB.81.081303.
  5. ^ Семонин, др. Лютер, JM; Choi, S .; Чен, HY; Gao, J .; Нозик, AJ; Борода, MC (2011). «Пиковая квантовая эффективность внешнего фототока, превышающая 100% через МЭГ в солнечном элементе с квантовыми точками». Наука. 334 (6062): 1530. Bibcode:2011Научный ... 334.1530S. Дои:10.1126 / science.1209845. PMID  22174246.
  6. ^ Ван, Шуцзин; Хафизов, Марат; Ту, Сяоминь; Чжэн, Мин; Краусс, Тодд Д. (14 июля 2010 г.). «Генерация множественных экситонов в однослойных углеродных нанотрубках». Нано буквы. 10 (7): 2381–2386. Bibcode:2010NanoL..10.2381W. Дои:10.1021 / nl100343j.
  7. ^ Tielrooij, K.J .; Песня, J C.W .; Jensen, S.A .; Centeno, A .; Pesquera, A .; Зурутуза Элорза, А .; Бонн, М .; Левитов, Л.Ф .; Коппенс, F.H.L. (24 февраля 2013 г.). «Каскад фотовозбуждения и генерация множественных горячих носителей в графене». Природа Физика. 9 (4): 248–252. arXiv:1210.1205. Bibcode:2013НатФ ... 9..248т. Дои:10.1038 / nphys2564.
  8. ^ Конгрев, Д. Н. (2013). «Внешняя квантовая эффективность выше 100% в органической фотоэлектрической ячейке на основе синглетно-экситонного деления». Наука. 340 (6130): 334–337. Bibcode:2013Наука ... 340..334C. Дои:10.1126 / science.1232994.