在无机-有机杂化半导体的光电流中超过100%的量子效率

通过合成含有锡基纳米颗粒（称为量子点）的半导体材料，包括KAUST在内的国际研究小组实现了令人印象深刻的光功率转换。图片来源：KAUST/Heno Hwang

被称为量子点的微小晶体使一个国际团队能够在杂化无机有机半导体中产生的光电流中实现超过100%的量子效率。

钙钛矿是用于光收集应用的令人兴奋的半导体，并且已经在太阳能电池中显示出一些令人印象深刻的性能。但是，提高光转换效率对于将这项技术推向更广阔的市场是必要的。

光以称为光子的能量包形式出现。当半导体吸收光子时，电磁能量被转移到带负电的电子及其带正电的对应物上，称为空穴。电场可以以相反的方向扫描这些粒子，从而允许电流流动。这是太阳能电池的基本操作。这听起来可能很简单，但优化量子效率，或者从入射光子中获得尽可能多的电子 - 空穴对，一直是一个长期的目标。

效率低下的一个原因是，如果光子的能量超过创建电子 - 空穴对所需的能量，则多余的能量通常以热量的形式损失。但纳米材料提供了一种解决方案。小粒子，如纳米晶体或量子点，可以将高能光子转化为多个电子 - 空穴对。

来自KAUST的Jun Yin和Omar Mohammed与来自香港理工大学的Yifan Chen和Mingjie Li及其同事合作，在锡铅卤化物钙钛矿的纳米晶体中演示了这种所谓的多重激子生成（MEG）。“我们通过利用钙钛矿纳米晶体器件中的MEG证明了光电流量子效率超过100%，”Yin说。

过去，在钙钛矿纳米晶体中观察到MEG具有较大的带隙：即那些只能吸收高能光子的半导体。

较窄的带隙材料提出了更大的挑战，因为激发的电子 - 空穴对松弛或冷却得太快，以至于它们无法在功能正常的太阳能电池器件中提取。“窄带隙钙钛矿纳米晶体中的高效MEG及其在实际光学器件中固有的MEG的验证尚未报道，”Yin说。

Chen，Yin和团队合成了一种半导体材料，该材料由甲脒锡 - 碘化铅钙钛矿的微小颗粒组成 - 使用少量锡制成 - 嵌入无锡FAPbI中3.该团队认为，锡的引入有助于减缓“冷却”。“我们将能够通过改变其组成来进一步优化钙钛矿纳米晶体，以获得更高的MEG性能并改善光功率转换，”Yin说。

该研究发表在Nature Photonics上。

更多信息：陈轶凡等， 卤化锡铅钙钛矿纳米晶中多激子生成用于光电流量子效率增强， Nature Photonics （2022）.DOI： 10.1038/s41566-022-01006-x

期刊信息：自然光子学