Het ideale opto-elektronische halfgeleidermateriaal zou een sterke lichtzender en een efficiënte ladingsgeleider zijn om elektrische injectie in apparaten mogelijk te maken. Deze twee voorwaarden, wanneer ontmoet, kan leiden tot zeer efficiënte LED's en tot zonnecellen die de Shockley-Queisser-limiet naderen. Tot nu, de materialen die het dichtst in de buurt kwamen van deze voorwaarden, waren gebaseerd op kostbare, epitaxiaal gegroeide III-V-halfgeleiders die niet monolithisch kunnen worden geïntegreerd in CMOS-elektronica.

Het ICFO-team rapporteert nu een verwerkt nanocomposietsysteem dat infrarood colloïdale kwantumstippen omvat. Het voldoet aan deze criteria, en op hetzelfde moment, biedt goedkope en gemakkelijke CMOS-integratie. Colloïdale kwantumdots (CQD's) zijn halfgeleiderdeeltjes of kristallen van slechts enkele nanometers groot, die daarom unieke optische en elektronische eigenschappen hebben. Ze zijn uitstekende absorbers en emitters van licht, en hun eigenschappen veranderen als functie van hun grootte en vorm:kleinere kwantumstippen zenden uit in het blauwe bereik, terwijl grotere kwantumstippen in het rood uitzenden.

Het gebruik van CQD-leds zou kunnen bijdragen aan de derde generatie, oplossing verwerkte anorganische zonnecellen. De implementatie van deze nanokristallen in apparaten voor optische detectie in de kortegolf en midden-infrarood heeft een groot aantal toepassingen, inclusief bewaking, nachtzicht, en milieumonitoring en spectroscopie.

In deze recente studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , ICFO-onderzoekers Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, en Alexandros Stavrinadis, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Gerasimos Konstantatos, hebben CQD infrarood-emitterende LED's ontwikkeld met ongekende waarden in het infraroodbereik, een externe kwantumefficiëntie van 7,9 procent en een stroomconversie-efficiëntie van 9,3 procent, een waarde die nooit eerder werd bereikt met dit type apparaat.

Het belangrijkste kenmerk van dit werk was de ontwikkeling van een CQD-composietstructuur die op suprananokristallijn niveau is ontworpen om een ​​ongekend lage elektronische defectdichtheid te bereiken. Eerdere pogingen om elektronische defecten in CQD-vaste stoffen te onderdrukken, waren voornamelijk gebaseerd op chemische passivering van het CQD-oppervlak, iets dat het probleem in PbS QD's niet kon oplossen. De onderzoekers van ICFO namen een alternatief pad om de juiste matrix te creëren waarin ze de emitterende QD's insloten, om te dienen als een elektronische passivant op afstand voor de emitter-CQD's. Bovendien, het energetische landschap van de matrix is ​​ontworpen om een ​​efficiënte ladingtrechter naar de QD-stralers te vergemakkelijken om een ​​efficiënte elektrische injectie te bereiken.

Met deze nieuwe hybride apparaten, de onderzoekers construeerden zonnecellen om hun prestaties in het infraroodbereik te testen. Ze ontdekten dat de effectieve passivering die in deze nanocomposieten wordt bereikt, samen met de modulatie van de elektronische toestandsdichtheid, resulteert in zonnecellen die een nullastspanning leveren die zeer dicht bij de theoretische limiet ligt. De nullastspanning (VOC), wat de maximale spanning is die beschikbaar is van een zonnecel, verhoogd van 0,4 V voor een enkele QD-configuratie, tot ~0,7 V voor de ternaire mengconfiguratie, een indrukwekkende waarde gezien de lagere bandgap van de cel bij ~ 0,9 eV.

Onderzoeker Gerasimos Konstantatos zegt:"De meest verrassende bevinding van deze studie is de extreem lage elektronische valdichtheid die kan worden bereikt in een geleidend QD-materiaalsysteem dat vol is van chemische defecten die zich voordoen op het oppervlak van de stippen. De zeer hoge kwantumefficiëntie van die LED's is het gevolg van deze passiveringsstrategie. Het andere opwindende resultaat is het potentieel om zulke hoge VOS-waarden voor QD-zonnecellen te bereiken, dankzij de zeer lage valdichtheid, evenals een nieuwe technische benadering van de dichtheid van toestanden in een halfgeleiderfilm."

Santanu Pradhan, de eerste auteur van de studie, voegt toe, "Vervolgens zullen we ons concentreren op het verder benutten van deze vermindering van elektronische toestandsdichtheid in synergie met andere middelen om gelijktijdige verwezenlijking van hoge Voc en huidige productie mogelijk te maken, daarmee gericht op recordrendementen voor stroomconversie in zonnecelapparaten."

De resultaten die in dit onderzoek zijn verkregen, bewijzen dat de engineering van QCD infrarood-emitterende LED's op nanoschaal geïntegreerd in zonnecellen de prestatie-efficiëntie van deze apparaten in het infraroodbereik aanzienlijk kan verbeteren. Dergelijke resultaten openen de weg naar een reeks van de spectra die nog volledig moeten worden benut en bieden verbazingwekkende nieuwe toepassingen, zoals on-chip spectrometers voor voedselinspectie, milieu Controle, bewaking van fabricageprocessen en actieve beeldvormingssystemen voor biomedische of nachtzichttoepassingen.