改良的量子点可从光中吸收更多能量而减少热量损失

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯，2019年10月7日-洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家合成了磁性掺杂的量子点，该量子点捕获了在紫外线被浪费为热量之前产生的电子的动能。

实验室量子点计划的首席研究员维克多·克利莫夫说：“这一发现有可能使新型，高效的太阳能电池，光探测器，光电阴极和光驱动化学反应成为可能。”

在标准太阳能电池中，大量的阳光能量被浪费为热量。由于缺乏有效的方法来捕获由太阳光谱的绿色到紫外线部分中的光子产生的“热”电子动能而产生这种浪费。问题在于，热电子由于与构成设备的晶格的相互作用而很快失去能量，从而导致称为声子的振动。此过程通常在几皮秒(万亿分之一秒)内发生。

捕获热载流子能量的先前努力是利用动能从高能热电子转移到固定的低能电子，将其激发到电流传导状态。这种效应被称为载流子倍增，可使光电流中的电子数量增加一倍，可用于提高太阳能电池的性能。然而，在大多数常规材料中，声子的能量损失超过了载流子倍增的能量损失。

在今天发表在《自然纳米技术》上的研究中，研究人员证明，将磁性离子掺入量子点可以大大增强有用的，产生能量的相互作用，从而使它们比浪费的声子散射更快。

为了实现这些想法，研究人员基于硒化镉制备了锰掺杂的量子点。克利莫夫说：“硒化镉量子点吸收的光子产生一个电子-空穴对，或一个激子。这种激子很快被掺杂剂俘获，产生了一个激发态，该激发态像压缩弹簧一样存储能量。光子被量子点吸收，存储的能量被释放并转移到新产生的激子中，从而使其激发到更高的能量状态，锰离子释放的能量伴随着其磁矩的翻转，即自旋。因此，这一过程被称为自旋交换俄歇能量转移。”

LANL科学家的一个有趣观察结果是，自旋交换俄歇相互作用的时间尺度非常短-大约为皮秒的十分之一。令他们惊讶的是，这些相互作用比声子发射更快，声子发射通常被认为是半导体材料中最快的过程。为了证明这种新效应可以战胜声子辅助的冷却，Los Alamos的研究人员证明，经过适当设计的磁性掺杂量子点可以使它们提取由紫外线光子产生的热电子，然后再损失能量来加热晶格。

这些范式转移的发现为在先进方案中利用自旋交换俄歇工艺提供了令人振奋的机会，以提高太阳能电池的性能或推动异常的光化学反应。在高灵敏度，高速光检测和新型光驱动电子源领域中也预见到有趣的机会。

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