Vícenásobná generace excitonů - Multiple exciton generation
Ve výzkumu solárních článků je multiplikace nosičů fenomén, při kterém absorpce jediného fotonu vede k excitaci více elektronů z valenčního pásma do vodivého pásma. V teorii konvenčního solárního článku je každý foton schopen excitovat pouze jeden elektron přes mezeru pásma polovodiče a veškerá přebytečná energie v tomto fotonu se rozptýlí jako teplo. V materiálu s množením nosičů vysoce energetické fotony vzrušují v průměru více než jeden elektron přes mezeru pásma, takže solární článek může v zásadě produkovat užitečnější práci.
V solárních článcích s kvantovou tečkou excitovaný elektron ve vodivém pásmu interaguje s otvorem, který po sobě zanechává ve valenčním pásmu, a tento složený nenabitý objekt je znám jako exciton . Efekt násobení nosiče v tečce lze chápat jako vytváření více excitonů a nazývá se to generace více excitonů (MEG). MEG může výrazně zvýšit konverzní energetické účinnosti nanokrystalů na bázi solárních článků , ale extrakci energie může být obtížné, protože z krátkých životů na multiexcitons.
Kvantový mechanický původ MEG je stále předmětem debaty a bylo navrženo několik možností:
- 1) Rázová ionizace : světlo excituje vysokoenergetický exciton (X), který se nevratně rozpadá na kvazi-kontinuum multiexcitonových (multi-X) stavů dostupných pro tuto energii. Model vyžaduje pouze velmi vysokou hustotu stavů vícerozměrných spojů, zatímco Coulombova vazba mezi X a multi-X může být docela malá.
- 2) Koherentní superpozice stavů single a multiexciton: úplně první navrhovaný model, ale příliš zjednodušený (vysoká hustota stavů multi-X není zohledněna). Lehké rozruší X (což není pravda eigenstate systému), které pak mohou koherentně převést do multi-X a zpět do X mnohokrát ( kvantová beatů ). Tento proces vyžaduje, aby Coulombova vazba mezi nimi byla mnohem silnější než rychlost rozpadu pomocí fononů (což obvykle není tento případ). Buzení se nakonec rozloží pomocí fononů na nižší energii X nebo multi-X, podle toho, který z rozpadů je rychlejší.
- 3) Tvorba multiexcitonu prostřednictvím stavu virtuálního excitonu. Světlo přímo excituje eigenstate systému (v tomto případě, koherentní směs X a multi-X). Pojem „virtuální“ se zde vztahuje k čistému X, protože to není skutečný vlastní stav systému (stejný pro model 2).
Všechny výše uvedené modely lze popsat stejným matematickým modelem (matice hustoty), který se může chovat odlišně v závislosti na sadě počátečních parametrů (vazebná síla mezi X a multi-X, hustota stavů, rychlosti rozpadu).
MEG byl poprvé pozorován v roce 2004 pomocí koloidních PbSe kvantových teček a později byl nalezen v kvantových tečkách jiných kompozic včetně PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si a InP . Mnoho raných studií s koloidními kvantovými tečkami však významně nadhodnocovalo účinek MEG kvůli nezjištěnému fotonabíjení, problém byl později identifikován a vyřešen intenzivním mícháním koloidních vzorků. Vícenásobné generování excitonu bylo poprvé předvedeno ve fungujícím solárním článku v roce 2011, a to také za použití koloidních kvantových bodů PbSe. Vícenásobné generování excitonu bylo detekováno také v polovodičových jednostěnných uhlíkových nanotrubičkách (SWNT) po absorpci jednotlivých fotonů. U (6,5) SWNT vede absorpce jednotlivých fotonů s energiemi odpovídajícími trojnásobku energetické mezery SWNT k účinnosti generování excitonu 130% na foton. Prahová hodnota generování více excitonů v SWNT se může blížit limitu definovanému úsporou energie.
Grafen , který úzce souvisí s nanotrubičkami, je dalším materiálem, u kterého bylo pozorováno mnohonásobné generování excitonu.
Generování dvojitého excitonu bylo navíc pozorováno v organických derivátech pentacenu štěpením singletového excitonu s extrémně vysokou kvantovou účinností.
