В фотоэлектрических элементах полупроводники будут поглощать энергию фотонов, но только от фотонов, которые имеют нужное количество энергии: слишком мало, и фотоны проходят прямо через материал, слишком много, и избыточная энергия теряется в виде тепла. Правильное количество определяется шириной запрещенной зоны: разницей в энергетических уровнях между самой высокой занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью (LUMO).
Наночастицы
«Избыточная энергия горячих электронов, создаваемая фотонами высокой энергии, очень быстро поглощается материалом в виде тепла», – объясняет Максим Пшеничников, профессор сверхбыстрой спектроскопии в Университете Гронингена.
Для полного захвата энергии горячих электронов необходимо использовать материалы с большей шириной запрещенной зоны. Однако это означает, что горячие электроны должны быть доставлены в этот материал, прежде чем терять свою энергию. Текущий общий подход к сбору этих электронов состоит в том, чтобы замедлить потерю энергии, например, используя наночастицы вместо объемного материала. «В этих наночастицах у электронов меньше возможностей выделять избыточную энергию в виде тепла», – поясняет Пшеничников.
Вместе с коллегами из Наньянского технологического университета, где он был приглашенным профессором в течение последних трех лет, Пшеничников изучал систему, в которой органический-неорганический гибридный полупроводник перовскита был объединен с органическим соединением батофенантролин (bphen), материалом с большим запрещенная зона. Ученые использовали лазерный свет для возбуждения электронов в перовските и изучили поведение горячих электронов, которые были созданы.
Барьер
«Мы использовали метод под названием« накачка-зондирование », чтобы возбуждать электроны в два этапа и исследовать их на фемтосекундных временных масштабах», – поясняет Пшеничников. Это позволило ученым производить электроны в перовскитах с уровнями энергии чуть выше ширины запрещенной зоны bphen, не возбуждая электроны в bphen. Следовательно, любые горячие электроны в этом материале должны исходить из перовскита.
Результаты показали, что горячие электроны из перовскитного полупроводника легко поглощаются bphen. «Это произошло без необходимости замедлять эти электроны и, более того, в объемном материале.
Итак, без всяких уловок горячие электроны были собраны.Однако ученые заметили, что требуемая энергия была немного выше, чем ширина запрещенной зоны bphen. ‘Это было неожиданно. По-видимому, требуется некоторая дополнительная энергия, чтобы преодолеть барьер на границе между двумя материалами.’
Тем не менее, исследование обеспечивает доказательство принципа сбора горячих электронов в массивном перовскитном полупроводниковом материале. Пшеничников: «Эксперименты проводились с реалистичным количеством энергии, сравнимой с видимым светом. Следующая задача – построить реальное устройство, используя эту комбинацию материалов.’