含有量子点的无机-有机混合半导体材料实现了超过100%的量子效率

       量子点是一种微小颗粒或纳米晶体，即直径在2-10纳米（10-50个原子）之间的半导体材料。在含有量子点的无机-有机混合半导体产生的光电流中，量子效率超过了100%。

图1 嵌入锡基纳米粒子的钙钛矿型半导体材料晶格结构。中国香港和韩国合作的国际团队实现了超过100%量子效率的光电转换。（图片来源：Heno Hwang，韩国科学技术院）

       钙钛矿材料作为一类半导体，在光收集应用领域十分引人注目，钙钛矿太阳能电池的性能也趋近于成熟。然而，提高光转换效率仍然是这项技术应用于更广泛市场的一大难题。

       光的能量是量子化的，称为光子。当一个半导体吸收一个光子时，电磁能量传递到带一个负电荷的电子和带一个正电荷的空穴上。电场可以使这些粒子向相反的方向运动，从而形成电流，这是太阳能电池的基本原理。虽然原理很容易理解，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，仍然是亟待解决的问题。

       低效率的一个原因是，如果光子的能量超过了产生电子-空穴对所需的能量，多余的能量以热能的形式耗散。然而，纳米材料提供了一种解决方案——小颗粒，即纳米晶体，也称量子点，可以使高能光子传递更多的能量产生电子-空穴对。

       近日，韩国科学技术院的Jun Yin和Omar Mohammed团队与香港理工大学Yifan Chen和Mingjie Li团队合作，在卤化锡钙钛矿纳米晶体中展示了这种多重激子的产生（以下简称MEG）。Yin说：“通过在钙钛矿纳米晶体设备中应用MEG，其光电量子效率提高了一倍以上。”

       先前研究表明，MEG在带隙交大的钙钛矿型纳米晶体中可以观察到，即只能吸收高能光子的半导体。

       因此，由于电子-空穴对解耦合或耗散太快，它们无法被一个正常工作的太阳能电池设备收集，这对窄带隙半导体材料造成更大的挑战。Yin说：“迄今为止人，仍未有在窄带隙钙钛矿纳米晶体中的高效MEG及在实际光学器件中固有MEG的证明。”

       Chen-Yin团队合成了一种半导体材料，这种材料由微小的甲脒锡-碘化铅钙钛矿颗粒——少量锡制成——嵌入到无锡的FAPbI3中。该团队认为，锡的引入有助于减缓“冷却”速度。Yin说：“通过改变其组成，我们将能够进一步优化钙钛矿纳米晶体，以获得更高的MEG性能和改善光电转换效率。”

       以上研究成果已发表在期刊《Nature Photonics》上。

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https://phys.org/news/2022-08-exceeding-percent-quantum-efficiency-photocurrent.html