El material semiconductor optoelectrónico ideal sería un emisor de luz fuerte y un conductor de carga eficiente para permitir la inyección eléctrica en los dispositivos. Estas dos condiciones, cuando se conocieron, puede conducir a LED de alta eficiencia, así como a células solares que se acercan al límite de Shockley-Queisser. Hasta ahora, los materiales que más se han acercado a cumplir estas condiciones se han basado en costosos, semiconductores III-V desarrollados epitaxialmente que no pueden integrarse monolíticamente a la electrónica CMOS.

El equipo del ICFO ahora informa sobre un sistema de nanocompuestos procesados ​​que comprende puntos cuánticos coloidales infrarrojos. Cumple estos criterios, y al mismo tiempo, ofrece una integración CMOS fácil y de bajo costo. Los puntos cuánticos coloidales (CQD) son partículas semiconductoras o cristales tan pequeños como unos pocos nanómetros de tamaño. que por lo tanto tienen propiedades ópticas y electrónicas únicas. Son excelentes absorbentes y emisores de luz, y sus propiedades cambian en función de su tamaño y forma:los puntos cuánticos más pequeños se emiten en el rango azul, mientras que los puntos cuánticos más grandes emiten en el rojo.

El uso de LED CQD podría contribuir a la tercera generación, células solares inorgánicas procesadas en solución. La implementación de estos nanocristales en dispositivos de detección óptica en onda corta e infrarrojo medio tiene un gran número de aplicaciones, incluida la vigilancia, Vision nocturna, y monitorización y espectroscopia ambiental.

En este estudio reciente, publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Investigadores del ICFO Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou, y Alexandros Stavrinadis, dirigido por el Prof. ICREA en ICFO Gerasimos Konstantatos, han desarrollado LED emisores de infrarrojos CQD con valores sin precedentes en el rango de infrarrojos, una eficiencia cuántica externa del 7,9 por ciento y una eficiencia de conversión de energía del 9,3 por ciento, un valor nunca antes alcanzado con este tipo de dispositivo.

La característica clave de este trabajo ha sido el desarrollo de una estructura compuesta de CQD diseñada a nivel suprananocristalino para alcanzar una densidad de defectos electrónicos sin precedentes. Los esfuerzos anteriores para suprimir los defectos electrónicos en los sólidos de CQD se han basado principalmente en la pasivación química de la superficie de CQD, algo que no pudo resolver el problema en PbS QDs. Los investigadores del ICFO tomaron un camino alternativo para crear la matriz apropiada en la que incrustaron los QD emisores, para servir como pasivante electrónico remoto para los CQD emisores. Es más, El paisaje energético de la matriz se diseñó para facilitar la canalización de carga eficiente hacia los emisores QD para lograr una inyección eléctrica eficiente.

Con estos nuevos dispositivos híbridos, los investigadores construyeron células solares para probar su rendimiento en el rango de infrarrojos. Descubrieron que la pasivación efectiva lograda en estos nanocomposites, junto con la modulación de la densidad electrónica de estados, da como resultado células solares que entregan voltaje de circuito abierto muy cerca del límite teórico. El voltaje de circuito abierto (VOC), cuál es el voltaje máximo disponible de una celda solar, aumentado de 0,4 V para una única configuración QD, hasta ~ 0,7 V para la configuración de mezcla ternaria, un valor impresionante considerando la banda prohibida más baja de la celda a ~ 0,9 eV.

El investigador Gerasimos Konstantatos dice:"El hallazgo más sorprendente de este estudio es la densidad de trampa electrónica extremadamente baja que se puede lograr en un sistema de material conductor QD que está lleno de defectos químicos que surgen en la superficie de los puntos. La muy alta eficiencia cuántica de esos LED es la consecuencia de esta estrategia de pasivación. El otro resultado interesante es el potencial para alcanzar valores de COV tan altos para las células solares QD, gracias a la muy baja densidad de trampas, así como a un nuevo enfoque de ingeniería de la densidad de estados en una película semiconductora ".

Santanu Pradhan, el primer autor del estudio, agrega, "A continuación, nos centraremos en cómo aprovechar aún más esta reducción de la densidad electrónica de estados de forma sinérgica con otros medios para permitir el logro simultáneo de un Voc alto y una producción actual, con el objetivo de lograr eficiencias récord de conversión de energía en dispositivos de células solares ".

Los resultados obtenidos en este estudio demuestran que la ingeniería de LED emisores de infrarrojos QCD a nanoescala integrados en células solares puede mejorar significativamente la eficiencia de rendimiento de estos dispositivos en el rango de infrarrojos. Estos resultados abren el camino hacia una gama de espectros que aún no se han explotado por completo y ofrecen nuevas y sorprendentes aplicaciones. como espectrómetros en chip para inspección de alimentos, monitoreo ambiental, monitoreo de procesos de fabricación, así como sistemas de imágenes activos para aplicaciones biomédicas o de visión nocturna.