Квантовые точки открывают путь к новым высокоэффективным полупроводниковым приборам
Идеальный оптоэлектронный полупроводник должен сочетать в себе две ключевые возможности: быть одновременно сильным источником света и хорошим проводником заряда. Если материал обладает обоими качествами, то он может стать основой как для высокоэффективного светодиода, так и для солнечных батарей, близких по характеристикам к пределу Шокли-Квайссера. До сих пор круг кандидатов на эту роль ограничивался дорогостоящими полупроводниками типа III-V (сочетающих в себе элементы III и V групп периодической таблицы), которые невозможно интегрировать в КМОП-процесс.
Здесь следует сделать небольшую ремарку. В данной статье говорится как о светодиодах, так и о солнечных батареях. Такое свободное перемещение между, казалось бы, противоположными по сути областями (в одном случае свет излучается, а в другом – поглощается) на самом деле не представляет никакого противоречия. В основе как светодиодов, так и солнечных батарей лежит полупроводниковая технология. И в целом ничего не мешает взять светодиод и заставить его электричество производить, поглощая свет, а не наоборот. Другое дело, что эффективность такой импровизированной «электростанции» будет чрезвычайно низкой и практического смысла в этом нет.
Группа исследователей ICFO предложила решение в виде полученной из растворов нанокомпозитной системы, включающей квантовые точки, работающие в инфракрасном диапазоне. Коллоидные квантовые точки (CQD) представляют собой полупроводниковые частицы, размер которых настолько мал, что у них начинают проявляться некоторые квантовые эффекты. Благодаря этому они прекрасно поглощают и излучают свет, а конкретными спектральными характеристиками можно управлять за счёт изменения геометрических размеров точки-источника. Так увеличение размера смещает рабочий спектр излучения в красную область, а уменьшение, соответственно, в синюю.
Использование CQD может стать одним из ключевых компонентов находящихся в разработке технологий производства солнечных панелей 3-го поколения. А использование квантовых точек в светочувствительных приборах, рассчитанных на работу в инфракрасном диапазоне, открывает новые перспективы в таких областях как видеонаблюдение, ночное видение и многих других.
Исследователи из ICFO Сантану Прадхан, Франческо Ди Стасио, Ю Би, Шучхи Гупта, Сотириос Христодулу и Александрос Ставринадис под руководством профессора Герасимоса Константатоса разработали светодиоды на основе коллоидных квантовых точек, излучающие в инфракрасном диапазоне. Новые LED показывают чрезвычайно высокие показатели квантовой эффективности и КПД – 7.9% и 9.3% соответственно, что ранее было недостижимо для данного класса приборов.
Ключевым моментом работы учёных стала разработка CQD-структуры с очень низкой плотностью дефектов. Предыдущие попытки как правило основывались на химической пассивации поверхности квантовых точек, что не давало удовлетворительного результата. Исследователи из ICFO выбрали другой путь и создали матрицу из двух типов квантовых точек, одни из которых служат для электронной пассивации других.
После этого были сконструированы образцы солнечных панелей для измерения их производительности в инфракрасном диапазоне. Полученный результат оказался очень близок к теоретическому пределу: напряжение разомкнутой цепи ячейки удалось повысить до 0.7 В. Данное значение впечатляет своей близостью к нижней границе запрещённой зоны для данного элемента, находящейся на уровне 0.9 эВ. По словам профессора Константатоса, самым удивительным в этой работе стало получение чрезвычайно низкой плотности поглощающих электроны включений в системе квантовых точек со множеством химических дефектов и очень высокая квантовая эффективность полученных полупроводников, достигнутая вследствие выбранного метода пассивации. Ещё одним воодушевляющим результатом стало достижение таких высоких значений напряжения разомкнутой цепи, полученных благодаря низкой плотности электронных ловушек. Сантану Прадхан добавляет: «В дальнейшем мы сосредоточимся на возможностях, открываемых как полученным уменьшением плотности состояний, так и иными сопутствующими методами для одновременного достижения высоких значений напряжения разомкнутой цепи и максимального вырабатываемого тока. Что, в свою очередь, позволит получить рекордные показатели эффективности солнечных панелей».