Generación de excitones múltiples

En la investigación de células solares , la multiplicación de portadores es el fenómeno en el que la absorción de un único fotón conduce a la excitación de múltiples electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. En la teoría de una célula solar convencional , cada fotón solo puede excitar un electrón a través de la banda prohibida del semiconductor, y cualquier exceso de energía en ese fotón se disipa en forma de calor. En un material con multiplicación de portadores, los fotones de alta energía excitan en promedio más de un electrón a través de la banda prohibida, por lo que, en principio, la célula solar puede producir más trabajo útil.

En las células solares de puntos cuánticos , el electrón excitado en la banda de conducción interactúa con el hueco que deja atrás en la banda de valencia, y este objeto compuesto sin carga se conoce como excitón . El efecto de multiplicación de portadores en un punto puede entenderse como la creación de múltiples excitones, y se denomina generación de múltiples excitones (MEG). La MEG puede aumentar considerablemente la eficiencia de conversión de energía de las células solares basadas en nanocristales , aunque la extracción de energía puede ser difícil debido a la corta vida útil de los multiexcitones.

El origen mecánico cuántico de MEG aún está en debate y se han sugerido varias posibilidades: ^[1]

• 1) Ionización por impacto : la luz excita un excitón de alta energía (X) que se desintegra de manera irreversible en un cuasicontinuo de estados multiexcitón (multi-X) disponibles a esta energía. El modelo requiere únicamente que la densidad de estados de multiexcitones sea muy alta, mientras que el acoplamiento de Coulomb entre X y multi-X puede ser bastante pequeño.
• 2) Superposición coherente de estados de excitón único y multiexcitón: el primer modelo sugerido, pero demasiado simplificado (no se tiene en cuenta la alta densidad de estados de multi-X). La luz excita un X (que no es un verdadero estado propio del sistema) que luego puede convertirse coherentemente en multi-X y volver a X muchas veces ( pulsaciones cuánticas ). Este proceso requiere que el acoplamiento de Coulomb entre ellos sea mucho más fuerte que la tasa de desintegración a través de fonones (lo que normalmente no es el caso). La excitación finalmente decaerá a través de fonones a un X o multi-X de menor energía, dependiendo de cuál de las desintegraciones sea más rápida.
• 3) Formación de multiexcitones a través de un estado excitónico virtual. La luz excita directamente el estado propio del sistema (en este caso, una mezcla coherente de X y multi-X). El término "virtual" se refiere aquí a un X puro, porque no es un estado propio verdadero del sistema (lo mismo ocurre con el modelo 2).

Todos los modelos anteriores pueden describirse mediante el mismo modelo matemático (matriz de densidad) que puede comportarse de manera diferente dependiendo del conjunto de parámetros iniciales (fuerza de acoplamiento entre X y multi-X, densidad de estados, tasas de desintegración).

MEG se observó por primera vez en 2004 utilizando puntos cuánticos coloidales de PbSe ^[2] y más tarde se encontró en puntos cuánticos de otras composiciones, incluyendo PbS , PbTe , CdS , CdSe , InAs , Si , ^[3] e InP . ^[4] Sin embargo, muchos estudios tempranos en puntos cuánticos coloidales sobrestimaron significativamente el efecto MEG debido a la fotocarga no detectada, un problema identificado y resuelto más tarde agitando vigorosamente las muestras coloidales. ^[5] La generación de múltiples excitones se demostró por primera vez en una célula solar en funcionamiento en 2011, también utilizando puntos cuánticos coloidales de PbSe. ^[6] La generación de múltiples excitones también se detectó en nanotubos de carbono de pared simple semiconductores (SWNT) tras la absorción de fotones individuales. ^[7] Para los SWNT (6,5), la absorción de fotones individuales con energías correspondientes a tres veces la brecha de energía de los SWNT da como resultado una eficiencia de generación de excitones del 130% por fotón. El umbral de generación de excitones múltiples en SWNT puede estar cerca del límite definido por la conservación de energía.

El grafeno , que está estrechamente relacionado con los nanotubos, es otro material en el que se ha observado la generación de múltiples excitones. ^[8]

También se ha observado la generación de doble excitón en derivados orgánicos del pentaceno a través de la fisión del excitón singlete con una eficiencia cuántica extremadamente alta. ^[9]