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改良的量子點可從光中吸收更多能量 而減少熱量損失

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家已經合成了磁性摻雜的量子點,該量子點捕獲了在紫外線被浪費為熱量之前產生的電子的動能。

實驗室量子點計劃的首席研究員維克多·克利莫夫(Victor Klimov)表示:“這一發現有可能使新型,高效的太陽能電池,光探測器,光電陰極和光驅動化學反應成為可能。”

在標準太陽能電池中,大量的陽光能量被浪費為熱量。由于缺乏有效的方法來捕獲由太陽光譜的綠色到紫外線部分中的光子產生的“熱”電子動能而產生這種浪費。問題在于,熱電子由于與構成設備的晶格的相互作用而很快失去能量,從而導致稱為聲子的振動。此過程通常在幾皮秒(萬億分之一秒)內發生。

捕獲熱載流子能量的先前努力是利用動能從高能熱電子轉移到固定的低能電子,將其激發到電流傳導狀態。這種效應被稱為載流子倍增,可使光電流中的電子數量增加一倍,可用于提高太陽能電池的性能。然而,在大多數常規材料中,聲子的能量損失超過了載流子倍增的能量損失。

在今天發表在《自然納米技術》上的研究中,研究人員證明,將磁性離子摻入量子點可以大大增強有用的,產生能量的相互作用,從而使它們比浪費的聲子散射更快。

為了實現這些想法,研究人員基于硒化鎘制備了錳摻雜的量子點。克利莫夫說:“硒化鎘量子點吸收的光子產生一個電子-空穴對,或一個激子。這種激子很快被摻雜劑俘獲,產生了一個激發態,該激發態像壓縮彈簧一樣存儲能量。光子被量子點吸收,存儲的能量被釋放并轉移到新產生的激子中,從而使其激發到更高的能量狀態,錳離子釋放的能量伴隨著其磁矩的翻轉,即自旋。因此,這一過程被稱為自旋交換俄歇能量轉移。”

對LANL科學家的一個有趣觀察是,自旋交換俄歇相互作用的時間尺度非常短,大??約為十分之一皮秒。令他們驚訝的是,這些相互作用比聲子發射更快,聲子發射通常被認為是半導體材料中最快的過程。為了證明這種新效應可以戰勝聲子輔助的冷卻,Los Alamos的研究人員證明,經過適當設計的磁性摻雜量子點可以使它們提取由紫外線光子產生的熱電子,然后再失去其能量來加熱晶格。

這些范式轉移的發現為在先進方案中利用自旋交換俄歇工藝提供了令人振奮的機會,以提高太陽能電池的性能或推動異常的光化學反應。在高靈敏度,高速光檢測和新型光驅動電子源領域中也預見到有趣的機會。

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