«Толстые» квантовые точки улучшают эффективность солнечных батарей

Типичные солнечные батареи поглощают значительную часть солнечного спектра, но из-за быстрого охлаждения высокоэнергетичных или «горячих» носителей заряда дополнительная энергия синих или ультрафиолетовых фотонов рассеивается в форме тепла. В принципе, теряемую энергию можно сберечь и преобразовать в фототок посредством разумножения носителей: поглощение фотона из высокоэнергетичной области спектра производит не один, а два экситона (пара электрон-дырка), удваивая выход электроэнергии.

Разумножение носителей неэффективно в массивных материалах, применяемых в обычных солнечных батареях, но, как было продемонстрировано исследователями Национальной лаборатории Лос Аламоса (LANL) еще в 2004 г., заметно возрастает в сверхминиатюрных полупроводниковых частицах (квантовых точках). Тем не менее, в обычных квантовых точках разумножение носителей все же недостаточно эффективно, чтобы повысить выход энергии практических устройств.

Новое исследование, проведенное в Центре продвинутой солнечной фотофизики (Center for Advanced Solar Photophysics) LANL, показало, что оптимизация наноструктуры квантовых точек с ядром из селенида свинца и оболочкой из селенида кадмия способна увеличить степень разумножения носителей (carrier multiplication) почти в четыре раза по сравнению с простыми квантовыми точками на базе PbSe.

По словам участников работы, отмеченный сильный прирост объясняется необычно медленной фононной релаксацией горячих дырок, захваченных в состояниях с высокой энергией в толстой селенид-кадмиевой оболочке. Долгое время жизни этих дырок облегчает реализацию альтернативного механизма релаксации — путем столкновений с локализованными в ядре электронами валентной зоны, который и ведет к высокоэффективному разумножению носителей.

Выполненное моделирование показало, что если оболочка квантовой точки имеет достаточную толщину, высокоэнергетичные дырочные состояния располагаются главным образом в ней, тогда как низкоэнергетичные остаются локализованными в ядре. Это приводит к электронному разъединению (decoupling) высоко- и низкоэнергетичных дырочных состояний, ответственному за наблюдаемое медленное охлаждение.

Авторы рассказывающей о новом методе статьи в Nature Communications рассчитывают добиться дальнейшего улучшения эффективности преобразования энергии фотонов квантовыми точками, экспериментируя с другими геометриями наноструктур и другими материалами, в частности, естественно обладающих более медленным охлаждением, такими как PbTe.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI