一组研究人员报告了一种胶体量子点发光二极管的开发

2019-10-13 17:54:36

理想的光电半导体材料应该是强发光体,即在光激发时应该非常有效地发光,并且应该是有效的电荷导体,以允许器件中的电注入。满足这两个条件可以导致高效发光二极管以及太阳能电池,并有可能接近肖克利-奎塞尔极限。到目前为止,接近满足这些条件的材料都是基于外延生长的昂贵的III-V半导体,这些半导体不能单片集成到CMOS电子器件中。

ICFO团队报告了一种包含红外胶体量子点的溶液处理的纳米复合系统,该系统还满足这些标准,同时提供了低成本和便捷的CMOS集成。胶体量子点(CQD)是极小的半导体颗粒或晶体,尺寸只有几纳米,并且由于其尺寸,它们具有独特的光学和电子特性。它们是极好的光吸收剂和发射剂,其性质随其大小和形状而变化:较小的量子点在蓝色范围内发射,而较大的量子点在红色范围内发射。

胶体量子点(CQD)发光二极管(LED)的使用已成为领先技术(例如第三代,溶液处理和无机太阳能电池)中的关键成分之一。这些纳米晶体在短波和中红外光感测设备中的实现引发了广泛的应用,包括监视,夜视,产品,过程和环境监测以及光谱学。

在最近发表在《自然纳米技术》上的研究中,由ICFO Gerasimos Konstantatos的ICREA教授领导的ICFO研究人员Santanu Padhan,Francesco Di Stasio,Yu Bi,Shuchi Gupta,Sotirios Christodoulou和Alexandros Stavrinadis共同开发了CQD红外发光LED,这些LED具有在红外范围内实现了前所未有的值,外部量子效率为7.9%,功率转换效率为9.3%,这是此类设备从未达到的值。

这项工作的关键特征是开发了一种在超晶晶水平上工程化的CQD复合结构,以达到前所未有的低电子缺陷密度。抑制CQD固体中电子缺陷的先前努力主要是基于CQD表面的化学钝化,这不能解决PbS QD中的问题。ICFO的研究人员采取了另一种方法来创建合适的矩阵,在该矩阵中嵌入发射的QD,以用作发射器CQD的远程电子钝化剂。此外,对基体的高能态进行了设计,以利于将电荷有效地漏斗到QD发射器中,从而实现有效的电注入。

有了这些新的混合设备,研究人员团队又迈出了一步,建造了太阳能电池以测试其在红外范围内的性能。通过这样做,他们发现在这些纳米复合材料中实现的有效钝化以及状态电子密度的调制导致太阳能电池的开路电压非常接近理论极限。开路电压(VOC)是太阳能电池可提供的最大电压,它从单个QD配置的0.4 V增加到三元混合配置的〜0.7 V,考虑到电池的较低带隙,这是一个令人印象深刻的值在〜0.9 eV。

正如ICFO ICIC Gerasimos Konstantatos的ICREA教授所说:“这项研究最令人惊讶的发现是,在导电QD材料系统中可以实现极低的电子陷阱密度,而该导电QD材料系统充满了点表面上产生的化学缺陷。这些LED的高量子效率是我们证明的钝化策略的结果,另一个令人振奋的结果是,由于QD太阳能电池的捕集密度非常低,而且可以实现如此高的Voc值,因此可以协同实现一种半导体膜中状态密度的新颖工程方法。” 这项研究的第一作者Santanu Pradhan补充道:“

这项研究获得的结果证明,集成在太阳能电池中的纳米级QCD红外发光二极管的工程设计可以显着提高这些器件在红外范围内的性能效率。这样的结果为进入尚待充分利用的光谱范围开辟了道路,并提供了惊人的新应用,例如用于食品检查的片上光谱仪,环境监测,制造过程监测以及用于生物医学或夜间的主动成像系统视觉应用。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。