Aider les semi-conducteurs à trouver un moyen plus frais de se détendre

Aider les semi-conducteurs à trouver un moyen plus frais de se détendre

Les scientifiques de KAUST trouvent un moyen de rendre les cellules solaires plus efficaces en prolongeant la durée de vie des électrons chauds dans les semi-conducteurs. Crédit : KAUST

L’ingénierie de la bande interdite peut améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques qui visent à exploiter l’énergie des électrons « chauds », selon les recherches de KAUST.

Les semi-conducteurs ont une propriété de signature connue sous le nom de bande interdite qui est essentiellement une plage d’énergies électroniques interdites. Les électrons avec une énergie au-dessus du haut de la bande interdite sont libres de se déplacer à travers le matériau, alors que ceux en dessous du bas de la bande interdite ne le sont pas, et aucun électron avec une énergie entre les deux ne peut exister dans le matériau.

Cette idée simple définit les propriétés optiques d’un semi-conducteur. L’énergie de toute lumière absorbée est transférée aux électrons du matériau. La plupart des électrons libres dans un semi-conducteur ont une énergie proche du sommet de la bande interdite. Mais l’absorption de photons avec une énergie beaucoup plus grande que la bande interdite crée, à son tour, des électrons d’énergie beaucoup plus élevée qui sont également appelés « électrons chauds ».

Comprendre le processus par lequel ces électrons dits chauds se détendent à une énergie plus proche du sommet de la bande interdite est essentiel pour comprendre le fonctionnement des dispositifs de collecte de lumière. Par exemple, l’efficacité d’une cellule solaire est réduite si cet énorme excès d’énergie est perdu sous forme de chaleur. « Cependant, il était extrêmement difficile, voire impossible, d’utiliser suffisamment ces électrons chauds dans de vraies applications de conversion de lumière en raison de leur très courte durée de vie », explique le scientifique des matériaux Omar Mohammed.

Mohammed et ses collègues ont utilisé l’ingénierie des interfaces et des bandes interdites pour retarder la relaxation des porteurs chauds (électrons et trous) et augmenter considérablement leur durée de vie.

L’équipe a étudié un semi-conducteur connu sous le nom de pérovskite aux halogénures de plomb. Ils ont conçu et fabriqué des architectures composées de plusieurs puits quantiques : une fine couche de semi-conducteur prise en sandwich entre des couches absorbant la lumière d’un matériau à bande interdite plus large. Ils ont comparé les propriétés optiques des structures dans lesquelles les puits étaient tous de la même épaisseur et des structures asymétriques dans lesquelles les largeurs des puits variaient. Ils ont utilisé une technique appelée spectroscopie d’absorption transitoire femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 secondes) combinée à des calculs théoriques pour déterminer l’échelle de temps de la relaxation des électrons chauds.

Ils ont découvert que la vitesse de refroidissement dépendait fortement de l’épaisseur du puits quantique dans l’échantillon asymétrique et que la relaxation des porteurs chauds dans les puits quantiques multiples asymétriques était 12,5 fois plus lente que celle des puits quantiques multiples symétriques.

« Cette nouvelle découverte fournit une stratégie unique sur la façon de ralentir considérablement le refroidissement des porteurs chauds dans les matériaux semi-conducteurs pour une meilleure utilisation dans les applications de cellules solaires », explique le postdoc Partha Maity.


Renormalisation de la bande interdite inhabituelle dans les nanoplaquettes de pérovskite aux halogénures de plomb inorganiques 2D


Plus d’information:
Partha Maity et al, le transfert d’électrons en cascade induit une relaxation lente des porteurs chauds dans les puits quantiques asymétriques CsPbBr3, Lettres énergétiques ACS (2021). DOI : 10.1021 / acsenergylett.1c01142

Fourni par l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Citation: Aider les semi-conducteurs à trouver un moyen plus cool de se détendre (2021, 7 septembre) récupéré le 7 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-semiconductors-cooler.html

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