理想的半導(dǎo)體光電材料應(yīng)該具有優(yōu)秀的光發(fā)射性能，并且是有效的電荷導(dǎo)體，才能對器件進(jìn)行電荷注入。當(dāng)滿足這兩個條件時，可以得到高效率的LED以及接近肖克利——奎伊瑟極限（Shockley——Queisser limit）的太陽能電池。到目前為止，最滿足這些條件的材料是基于需要外延生長的三五族（III——V）半導(dǎo)體，價格昂貴且不能與CMOS電子器件單片集成。

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自巴塞羅那光電科學(xué)研究所ICFO的小組發(fā)布了一種由紅外膠體量子點(diǎn)（CQD）組成的納米復(fù)合系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能滿足上述要求，同時成本低、易與CMOS集成。CQD是尺寸小到幾納米的半導(dǎo)體顆粒或晶體，因此具有獨(dú)特的光學(xué)和電子特性。CQD是極好的吸收器和光發(fā)射器，特性隨尺寸和形狀而變化：較小的量子點(diǎn)在藍(lán)光范圍發(fā)光，而較大的量子點(diǎn)在紅光范圍發(fā)光。

　　CQD LED的應(yīng)用促成了第三代溶液可處理的無機(jī)太陽能電池。這些納米晶體在短波和中紅外光學(xué)傳感裝置中具有廣泛的應(yīng)用，包括監(jiān)視、夜視、環(huán)境監(jiān)測和光譜學(xué)。

　　最近《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志發(fā)表了這項(xiàng)研究，由ICFO的ICREA教授 Gerasimos Konstantatos領(lǐng)導(dǎo)，Santanu Padhan、Francesco Di Stasio、Yu Bi、Shuchi Gupta、Sotirios Christodoulou和Alexandros Stavrinadis組成的小組開發(fā)了具有創(chuàng)新意義的紅外CQD LED。在紅外光范圍內(nèi)，外量子效率（EQE）為7.9％，功率轉(zhuǎn)換效率為9.3％，超越了歷史上任何一套此類裝置的性能。

　　這項(xiàng)工作的主要特點(diǎn)是利用超晶體設(shè)計(jì)CQD復(fù)合結(jié)構(gòu)，以達(dá)到前所未有低的電子缺陷密度。由于基于CQD表面的化學(xué)鈍化不能解決PbS量子點(diǎn)（QD）的問題，過去一直在為抑制CQD固體中的電子缺陷而努力。ICFO的研究人員采取了另一種方法，他們創(chuàng)建了能嵌入QD發(fā)射的矩陣，為CQD發(fā)射極提供遠(yuǎn)程電子鈍化劑。此外，為了促進(jìn)有效的電荷匯集到QD發(fā)射極，達(dá)到有效的電子注入，對矩陣進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

　　有了這套新型設(shè)備，研究人員構(gòu)建的太陽能電池可在紅外光范圍內(nèi)測試性能。他們發(fā)現(xiàn)這些納米復(fù)合材料發(fā)生了有效鈍化，隨著電子態(tài)密度的調(diào)制，太陽能電池提供的開路電壓非常接近理論極限。太陽能電池提供的開路電壓（VOC）的最大電壓，單個QD配置可達(dá)0.4 V，三個QD混合配置可增加到—— 0.7V，太陽能電池的能帶可低至驚人的——0.9 eV。

　　研究人員Gerasimos Konstantatos說：“這項(xiàng)研究最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是在點(diǎn)狀表面產(chǎn)生的化學(xué)缺陷導(dǎo)電QD材料系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)極低的電子陷阱密度。采用鈍化的方式幫助LED實(shí)現(xiàn)了非常高的量子效率。另一個令人興奮的結(jié)果是QD太陽能電池有可能達(dá)到如此高的VOC值，這要?dú)w功于極低的陷阱密度以及半導(dǎo)體薄膜態(tài)密度的創(chuàng)新工程方法?！?

　　該研究的第一作者Santanu Pradhan補(bǔ)充道，“下一步我們將集中于如何進(jìn)一步與其他手段協(xié)同利用這種降低電子態(tài)密度的方法，以便同時實(shí)現(xiàn)高VOC和電流的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池器件記錄功率轉(zhuǎn)換效率的特性。”

　　研究結(jié)果表明，納米級QCD紅外發(fā)光LED集成到太陽能電池可以顯著提高LED在紅外光譜范圍內(nèi)的性能效率。目前取得的成果開辟了一條通向有待充分利用光譜的道路，并提供了驚人的新應(yīng)用，例如用于食品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、制造過程監(jiān)控的片上光譜儀以及用于生物醫(yī)學(xué)或夜視領(lǐng)域的主動成像系統(tǒng)。