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博科园|半导体将光能转换成电流,最新原理证明:能高效地收集热电子!

2020-01-13

半导体能将光子的能量转换成电子电流,然而有些光子携带的能量太多,材料无法吸收更多,这些光子将产生“热电子”,这些电子的多余能量被转化为热。材料科学家也一直在寻找收集这些多余能量的方法。格罗宁根大学和南洋理工大学科学家现在的研究表明:通过将钙钛矿与热电子的受体材料结合起来,这可能比预期的更容易,其对原理的证明发表《科学进展》期刊上。在光伏电池中,半导体将吸收光子能量,但只能从具有适量能量的光子中吸收。能量太少,光子直接通过材料;反之太多,多余的能量以热量的形式损失。

适当的量取决于带隙:最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的能级差。格罗宁根大学超快光谱学教授Maxim Pshenichnikov解释说:高能光子产生热电子的多余能量被材料作为热非常迅速地吸收。为了充分捕获热电子的能量,必须使用带隙较大的材料。然而,这意味着热电子应该在失去能量之前被传输到这种材料中。目前获取这些电子的一般方法是减缓能量损失,例如,通过使用纳米颗粒而不是块状材料。在这些纳米颗粒中,电子释放热的多余能量选择较少。

Pshenichnikov与南洋理工大学的同事一起研究了一种系统,在该系统中,有机-无机混合钙钛矿半导体与有机化合物邻菲咯啉(Bphen)结合,后者是一种具有很大带隙的材料,科学家们使用激光激发钙钛矿中的电子,并研究产生的热电子行为。研究使用了一种叫做泵-推探测的方法,分两步激发电子,并在飞秒时间尺度上研究它们。这使得科学家能够在钙钛矿中产生电子,其能级恰好高于bphen的带隙,而bphen中没有激发电子。因此,这种材料中的任何热电子都可能来自钙钛矿。

结果表明,来自钙钛矿半导体的热电子很容易被bphen吸收。这是在不需要减慢这些电子速度的情况下发生,而且在块状材料中也是如此。所以没有任何技巧,热电子就被收获了。然而,科学家们注意到所需的能量略高于bphen带隙,这是意想不到的。显然,需要一些额外能量来克服两种材料之间的界面障碍。然而,这项研究为在块状钙钛矿半导体材料中收集热电子提供了原理证明,这些实验是用相当于可见光的真实能量进行,下一个挑战是使用这种材料的组合来构建一个真正装置。


博科园|研究/来自:格罗宁根大学

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax3620

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