Generación de excitones múltiples - Multiple exciton generation
En la investigación de células solares , la multiplicación de portadores es el fenómeno en el que la absorción de un solo fotón conduce a la excitación de múltiples electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. En la teoría de una célula solar convencional , cada fotón solo puede excitar un electrón a través de la banda prohibida del semiconductor, y cualquier exceso de energía en ese fotón se disipa en forma de calor. En un material con multiplicación de portadores, los fotones de alta energía excitan en promedio más de un electrón a través de la banda prohibida, por lo que, en principio, la célula solar puede producir un trabajo más útil.
En las células solares de puntos cuánticos , el electrón excitado en la banda de conducción interactúa con el agujero que deja atrás en la banda de valencia, y este objeto compuesto sin carga se conoce como excitón . El efecto de multiplicación de portadores en un punto puede entenderse como la creación de múltiples excitones y se denomina generación de múltiples excitones (MEG). MEG puede aumentar considerablemente la eficiencia de conversión de energía de las células solares basadas en nanocristales , aunque extraer la energía puede resultar difícil debido a la corta vida útil de las multiexcitonas.
El origen de la mecánica cuántica de MEG todavía está en debate y se han sugerido varias posibilidades:
- 1) Ionización por impacto : la luz excita un excitón de alta energía (X) que decae irreversiblemente en un cuasi-continuo de estados multiexciton (multi-X) disponibles en esta energía. El modelo solo requiere que la densidad de estados de multiexcitones sea muy alta, mientras que el acoplamiento de Coulomb entre X y multi-X puede ser bastante pequeño.
- 2) Superposición coherente de estados de excitación única y múltiple: el primer modelo sugerido pero muy simplificado (no se tiene en cuenta la alta densidad de estados de multi-X). La luz excita una X (que no es un verdadero autoestado del sistema) que luego puede convertirse coherentemente a multi-X y volver a X muchas veces ( latidos cuánticos ). Este proceso requiere que el acoplamiento de Coulomb entre ellos sea mucho más fuerte que la tasa de desintegración a través de fonones (que generalmente no es el caso). La excitación finalmente decaerá a través de fonones a un X o multi-X de menor energía, dependiendo de cuál de los decaimientos sea más rápido.
- 3) Formación de multiexcitones a través de un estado de excitón virtual. La luz excita directamente el estado propio del sistema (en este caso, una mezcla coherente de X y multi-X). El término "virtual" se relaciona aquí con una X pura, porque no es un verdadero autoestado del sistema (lo mismo para el modelo 2).
Todos los modelos anteriores pueden describirse mediante el mismo modelo matemático (matriz de densidad) que puede comportarse de manera diferente según el conjunto de parámetros iniciales (fuerza de acoplamiento entre X y multi-X, densidad de estados, tasas de desintegración).
MEG se observó por primera vez en 2004 utilizando puntos cuánticos de PbSe coloidal y más tarde se encontró en puntos cuánticos de otras composiciones, incluidas PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si e InP . Sin embargo, muchos de los primeros estudios en puntos cuánticos coloidales sobrestimaron significativamente el efecto MEG debido a una fotocarga no detectada, un problema que luego se identificó y resolvió agitando vigorosamente las muestras coloidales. La generación de excitones múltiples se demostró por primera vez en una célula solar en funcionamiento en 2011, utilizando también puntos cuánticos de PbSe coloidal. También se detectó generación de excitones múltiples en nanotubos de carbono de pared simple semiconductores (SWNT) tras la absorción de fotones individuales. Para (6,5) SWNT, la absorción de fotones individuales con energías correspondientes a tres veces la brecha de energía SWNT da como resultado una eficiencia de generación de excitones del 130% por fotón. El umbral de generación de excitones múltiples en los SWNT puede estar cerca del límite definido por la conservación de energía.
El grafeno , que está estrechamente relacionado con los nanotubos, es otro material en el que se ha observado la generación de múltiples excitones.
Además, se ha observado la generación de doble excitón en derivados orgánicos del pentaceno a través de la fisión del excitón singlete con una eficiencia cuántica extremadamente alta.