Maksymalne światło w urządzeniach optoelektronicznych

Koloidalne kropki kwantowe (CQD) są podstawą nowej, szybko rozwijającej się dziedziny badań, dającej nadzieję na powstanie nowych rozwiązań w zakresie tanich i wydajnych ogniw słonecznych. Użyte jako absorpcyjny materiał fotowoltaiczny, mają one pasmo wzbronione, które można dostrajać, po prostu zmieniając wielkość nanocząsteczek. Dzięki temu mogą pochłaniać różne fragmenty widma promieniowania słonecznego.

Grubość warstwy CQD jest jednak ograniczona ze względu na konieczność zachowania przejścia ładunku. Potrzebne są zatem nowe systemy pułapkowania światła, aby poprawić absorpcję światła i sprawność. Plazmoniczne nanostruktury metalowe mogą umożliwić udoskonalenie pułapkowania światła w ultracienkich warstwach absorpcyjnych CQD.

W ramach finansowanego ze środków UE projektu "Plasmonically enhanced colloidal quantum dot photodetectors and photovoltaics" (PECQDPV) badano zjawiska optyczne i elektryczne związane ze zbudowaniem sztucznych struktur fotonicznych w prostych urządzeniach fotodetekcyjnych i fotodiodowych, wytwarzanych z warstw CQD z siarczku ołowiu (PbS).

Przy pomocy testowych urządzeń fotoprzewodnikowych z wbudowanymi matrycami losowych, samoorganizujących się nanocząsteczek metalowych, które silnie rozpraszają światło, naukowcy uzyskali 2,4-krotnie większy fotoprąd na długościach fal zbliżonych do szczytu linii ekscytonu kropek kwantowych PbS danej wielkości.

Ponadto badano zjawiska elektryczne związane z wbudowaniem innych nanostruktur metalowych w tych urządzeniach. W zależności od metalu bezpośredni kontakt z nanocząsteczkami prowadził do tłumienia lub wzmocnienia fotoprądu. Odkrycia te są ważne dla budowy plazmonicznych urządzeń optoelektronicznych CQD.

Badano także mechanizmy fizyczne dotyczące wzmocnienia plazmonicznego. W tym celu przeprowadzono symulacje optyczne pełnego pola i opracowano proste modele analityczne. W symulacjach na nanocząsteczkach srebra, rozkład kątowy rozproszonego światła okazał się stosunkowo wąski, co oznacza ograniczenie potencjału w zakresie pułapkowania światła. Badania doświadczalne wykazały, że struktura modalna półprzewodnika cienkowarstwowego ma podstawowe znaczenie dla możliwości określenia ilości przechwytywanego światła.

Aby uzyskać sprawność pułapkowania światła lepszą niż w przypadku struktur losowych, badano nanostruktury uporządkowane okresowo. Opracowano model koncepcyjny uwzględniający proste zasady projektowania optymalnego pułapkowania światła w cienkich warstwach zawierających dwuwymiarowe sprzęgacze siatkowe. Sprzęgacze siatkowe wbudowano także w fotodiody jako złote ogniwa typu Back Contact, uzyskując wzmocnienie fotoprądu: 3-krotne w przypadku cienkich diod oraz 1,5-krotne w przypadku grubych diod, w stosunku do płaskich urządzeń o podobnej grubości.

Uczestnicy projektu PECQDPV starali się poprawić absorpcję urządzeń CQD dzięki zastosowaniu nanostruktur plazmonicznych. Ich badania pogłębiają naszą wiedzę na temat problemów związanych z doborem materiału plazmonicznego i metod umożliwiających poprawę pułapkowania światła w urządzeniu CQD o określonej geometrii.