Geração múltipla de excitons - Multiple exciton generation
Na pesquisa com células solares , a multiplicação de portadores é o fenômeno em que a absorção de um único fóton leva à excitação de vários elétrons da banda de valência para a banda de condução. Na teoria de uma célula solar convencional , cada fóton é capaz de excitar apenas um elétron através do gap do semicondutor, e qualquer excesso de energia nesse fóton é dissipado como calor. Em um material com multiplicação de portadores, os fótons de alta energia excitam em média mais de um elétron ao longo do intervalo de banda e, portanto, em princípio, a célula solar pode produzir um trabalho mais útil.
Nas células solares de pontos quânticos , o elétron excitado na banda de condução interage com o buraco que ele deixa na banda de valência, e esse objeto composto sem carga é conhecido como exciton . O efeito de multiplicação da portadora em um ponto pode ser entendido como a criação de múltiplos excitons e é chamado de geração múltipla de excitons (MEG). O MEG pode aumentar consideravelmente a eficiência de conversão de energia de células solares baseadas em nanocristais , embora extrair a energia possa ser difícil por causa do curto tempo de vida dos multiexcitons.
A origem da mecânica quântica do MEG ainda está em debate e várias possibilidades foram sugeridas:
- 1) Ionização de impacto : a luz excita um exciton de alta energia (X) que decai irreversivelmente em um quase contínuo de estados multiexciton (multi-X) disponíveis nesta energia. O modelo requer apenas que a densidade de estados de multiexcitons seja muito alta, enquanto o acoplamento de Coulomb entre X e multi-X pode ser bem pequeno.
- 2) Coherent superposição de estados individuais e multiexciton: o modelo muito primeiro sugerida, mas simplificadas (elevada densidade de estados de multi-X não é tomado em consideração). A luz excita um X (que não é um verdadeiro estado próprio do sistema), que pode então ser coerentemente convertido para multi-X e de volta para X muitas vezes ( batidas quânticas ). Esse processo requer que o acoplamento de Coulomb entre eles seja muito mais forte do que a taxa de decaimento via fônons (o que geralmente não é o caso). A excitação finalmente decairá via fônons para uma menor energia X ou multi-X, dependendo de qual decaimento é mais rápido.
- 3) Formação multiexciton através de um estado de exciton virtual. A luz excita diretamente o estado próprio do sistema (neste caso, uma mistura coerente de X e multi-X). O termo "virtual" refere-se aqui a um X puro, porque não é um autoestado verdadeiro do sistema (o mesmo para o modelo 2).
Todos os modelos acima podem ser descritos pelo mesmo modelo matemático (matriz de densidade), que pode se comportar de maneira diferente dependendo do conjunto de parâmetros iniciais (força de acoplamento entre X e multi-X, densidade de estados, taxas de decaimento).
O MEG foi observado pela primeira vez em 2004 usando pontos quânticos de PbSe coloidal e mais tarde foi encontrado em pontos quânticos de outras composições, incluindo PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si e InP . No entanto, muitos estudos iniciais em pontos quânticos coloidais superestimaram significativamente o efeito MEG devido à fotocarga não detectada, um problema posteriormente identificado e resolvido pela agitação vigorosa de amostras coloidais. A geração de múltiplos excitons foi demonstrada pela primeira vez em uma célula solar em funcionamento em 2011, também usando pontos quânticos coloidais de PbSe. Geração múltipla de excitons também foi detectada em nanotubos de carbono semicondutores de parede única (SWNTs) após a absorção de fótons únicos. Para (6,5) SWNTs, a absorção de fótons únicos com energias correspondentes a três vezes o gap de energia SWNT resulta em uma eficiência de geração de excitons de 130% por fóton. O limite de geração de múltiplos excitons em SWNTs pode estar próximo ao limite definido pela conservação de energia.
O grafeno , que está intimamente relacionado aos nanotubos, é outro material no qual a geração múltipla de excitons foi observada.
A geração de excitons duplos também foi observada em derivados orgânicos do pentaceno por meio da fissão de excitons singletes com eficiência quântica extremamente alta.
