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胶体量子点使LED在红外线中闪耀

发布时间:2019-01-29 10:38:07 来源:

理想的光电子半导体材料应该是强光发射器,即应该在光激发时非常有效地发光,并且是有效的电荷导体,以允许在器件中电注入。满足这两个条件可以使高效发光二极管以及太阳能电池有可能接近Shockley-Queisser极限。到目前为止,已经接近满足这些条件的材料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团队报告了一种溶液处理纳米复合材料系统,该系统包括红外胶体量子点,这些点也符合这些标准,同时提供低成本和简便的CMOS集成。胶体量子点(CQD)是极小的半导体颗粒或晶体,尺寸小到几纳米,并且由于它们的尺寸,它们能够具有独特的光学和电子特性。它们是优异的吸收剂和光发射体,其性质随其尺寸和形状而变化:较小的量子点在蓝色范围内发射,而较大的量子点在红色中发射。

胶体量子点(CQD)发光二极管(LED)的使用已成为领先技术的关键成分之一,例如第3代,溶液处理和无机太阳能电池。在用于短波和中红外光学传感的装置中实施这些纳米晶体已经引发了大量应用,包括监视,夜视,产品,工艺和环境监测以及光谱学。

在最近发表于Nature Nanotechnology的研究中,由ICFO Gerasimos Konstantatos的ICREA教授领导的ICFO研究员Santanu Padhan,Francesco Di Stasio,Yu Bi,Shuchi Gupta,Sotirios Christodoulou和Alexandros Stavrinadis开发了CQD红外发光LED,在红外线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%,这是此类设备之前从未达到的值。

这项工作的关键特征是开发了一种在超晶体水平上设计的CQD复合结构,以达到前所未有的低电子缺陷密度。抑制CQD固体中的电子缺陷的先前努力主要基于CQD表面的化学钝化,这无法解决PbS QD中的问题。ICFO的研究人员采用了另一种途径,即创建适当的矩阵,在其中嵌入发射的QD,作为发射器CQD的远程电子钝化剂。此外,矩阵的能量景观被设计为便于有效的电荷漏斗进入QD发射器以实现有效的电注入。

通过这些新的混合设备,研究人员团队更进一步,构建了太阳能电池,以测试其在红外范围内的性能。在这样做时,他们发现在这些纳米复合材料中实现的有效钝化以及电子态密度的调制导致太阳能电池提供非常接近理论极限的开路电压。开路电压(VOC),即太阳能电池可用的最大电压,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ICRE的ICREA教授Gerasimos Konstantatos所评论的那样,“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,该系统在点的表面上充满了化学缺陷,非常这些LED的高量子效率是我们展示的这种钝化策略的结果。另一个令人兴奋的结果是,由于极低的陷阱密度以及对于QD太阳能电池达到如此高的Voc值的潜力。一种半导体薄膜状态密度的新工程方法。“ 本研究的第一作者Santanu Pradhan补充说:“

在该研究中获得的结果证明,在纳米级集成在太阳能电池中的QCD红外发射LED的工程可以显着提高这些器件在红外范围内的性能效率。这样的结果开启通道成一定范围的仍有待充分利用,并提供令人惊奇的新的应用,例如片上的光谱仪用于食品检查,环境监测,制造过程中监控,以及有源成像系统用于生物医学或夜晚的光谱的视觉应用。

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