p O material semicondutor optoeletrônico ideal seria um forte emissor de luz e um condutor de carga eficiente para permitir a injeção elétrica em dispositivos. Essas duas condições, quando conheceu, pode levar a LEDs altamente eficientes, bem como a células solares que se aproximam do limite de Shockley-Queisser. Até agora, os materiais que mais se aproximaram de atender a essas condições foram baseados em custos semicondutores III-V de crescimento epitaxial que não podem ser integrados monoliticamente à eletrônica CMOS. p A equipe do ICFO agora relata um sistema nanocompósito processado que compreende pontos quânticos coloidais infravermelhos. Ele atende a esses critérios, e ao mesmo tempo, oferece integração de CMOS de baixo custo e fácil. Os pontos quânticos coloidais (CQDs) são partículas semicondutoras ou cristais tão pequenos quanto alguns nanômetros de tamanho, que, portanto, têm propriedades ópticas e eletrônicas únicas. Eles são excelentes absorvedores e emissores de luz, e suas propriedades mudam em função de seu tamanho e forma:pontos quânticos menores emitem na faixa azul, enquanto pontos quânticos maiores emitem na faixa vermelha.

p O uso de LEDs CQD pode contribuir para a terceira geração, células solares inorgânicas processadas em solução. A implementação desses nanocristais em dispositivos de detecção óptica em ondas curtas e infravermelho médio tem um vasto número de aplicações, incluindo vigilância, visão noturna, e monitoramento ambiental e espectroscopia.

p Neste estudo recente, publicado em Nature Nanotechnology , Os pesquisadores do ICFO, Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, e Alexandros Stavrinadis, liderado pelo ICREA Prof. da ICFO Gerasimos Konstantatos, desenvolveram LEDs emissores de infravermelho CQD com valores sem precedentes na faixa do infravermelho, uma eficiência quântica externa de 7,9 por cento e uma eficiência de conversão de energia de 9,3 por cento, um valor nunca antes alcançado com este tipo de dispositivo.

p A principal característica deste trabalho foi o desenvolvimento de uma estrutura composta CQD projetada no nível supranocristalino para atingir densidade de defeito eletrônico sem precedentes. Esforços anteriores na supressão de defeitos eletrônicos em sólidos CQD foram baseados principalmente na passivação química da superfície CQD, algo que não poderia resolver o problema no PbS QDs. Os pesquisadores do ICFO seguiram um caminho alternativo de criar a matriz apropriada na qual embutiram os QDs emissores, para servir como um passivante eletrônico remoto para os CQDs emissores. Além disso, a paisagem energética da matriz foi projetada a fim de facilitar o afunilamento de carga eficiente para os emissores QD a fim de obter injeção elétrica eficiente.

p Com esses novos dispositivos híbridos, os pesquisadores construíram células solares para testar seu desempenho na faixa do infravermelho. Eles descobriram que a passivação efetiva alcançada nesses nanocompósitos, junto com a modulação da densidade eletrônica de estados, resulta em células solares que fornecem tensão de circuito aberto muito próxima do limite teórico. A tensão de circuito aberto (VOC), que é a tensão máxima disponível em uma célula solar, aumentou de 0,4 V para uma única configuração QD, até ~ 0,7 V para a configuração de mistura ternária, um valor impressionante considerando o bandgap inferior da célula em ~ 0,9 eV.

p O pesquisador Gerasimos Konstantatos diz:"A descoberta mais surpreendente deste estudo é a densidade de armadilha eletrônica extremamente baixa que pode ser alcançada em um sistema de material QD condutivo que está cheio de defeitos químicos que surgem na superfície dos pontos. A eficiência quântica muito alta desses LEDs é a consequência desta estratégia de passivação. O outro resultado empolgante é o potencial de atingir esses valores elevados de VOC para células solares QD, graças à densidade de armadilha muito baixa, bem como a uma nova abordagem de engenharia da densidade de estados em um filme semicondutor. "

p Santanu Pradhan, o primeiro autor do estudo, adiciona, "Em seguida, vamos nos concentrar em como explorar ainda mais essa redução da densidade eletrônica de estados sinergicamente com outros meios para permitir a obtenção simultânea de alto Voc e a produção atual, visando, assim, eficiências recordes de conversão de energia em dispositivos de células solares. "

p Os resultados obtidos neste estudo comprovam que a engenharia de LEDs emissores de infravermelho QCD em nanoescala integrados em células solares pode melhorar significativamente a eficiência de desempenho desses dispositivos na faixa de infravermelho. Esses resultados abrem o caminho para uma gama de espectros que ainda deve ser totalmente explorada e oferece novas aplicações incríveis, como espectrômetros no chip para inspeção de alimentos, monitoramento ambiental, monitoramento do processo de fabricação, bem como sistemas de imagem ativa para aplicações biomédicas ou de visão noturna.