이상적인 옵토일렉트로닉스 반도체 재료는 강력한 에미터와 소자에 전기 주입이 가능한 효율적인 도체이다. 이 두 조건이 충족되면 쇼클리-퀘세르 (Shockley-Queisser) 한도에 도달한 태양 전지는 태양 전지 뿐 만 아니라 고효율 LED로 이어질 수 있다. 지금까지 이러한 요구 사항을 충족시키는데 가장 가까운 재료는 CMOS 전자 제품에 하나로 통제되게 통합할 수 없는 비싼 에피택셜 성장 III-V 반도체를 기반으로 했다.

연구팀은 적외선 콜로이드 양자점을 포함하는 가공된 나노 복합체 시스템을 보고했다. 이러한 기준을 충족시키면서 저렴한 CMOS 통합을 제공한다. 콜로이드 양자점 (CQD)은 수 나노 미터 크기의 고유한 광학 및 전자 특성을 갖는 반도체 입자 또는 결정체이다. 그들은 크기와 모양이 다른 우수한 흡수체와 발광체이다. 작은 양자점은 파란색 범위에서 방출되고 큰 양자점은 빨간색으로 방출된다.

CQD LED의 사용은 3 세대 솔루션을 처리하는 무기 태양 전지에 기여할 수 있다. 단파 및 중간 적외선에서 광학 감지 용 장치에 나노 결정을 구현하면 감시, 야간 투시, 환경 모니터링 및 분광학을 비롯한 광범위한 응용 분야가 있다.

연구팀이 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)에 발표한 최근 연구에서 CQD 적외선 방사 LED가 개발되었다. 적외선 범위에서 7.9 퍼센트의 외부 양자 효율 및 9.3 퍼센트의 전력 변환 효율은 이러한 유형의 장치로 결코 달성할 수 없었던 수치이다.

이 연구의 핵심 특징은 전례없는 낮은 전자 결함 밀도에 도달하기 위해 초 저밀도 수준에서 설계된 CQD 복합 구조의 개발이었다. CQD 고형물의 전자 결함을 억제하기위한 이전의 노력은 주로 PQS QD의 문제를 해결할 수 없는 CQD 표면의 화학적 패시베이션에 기반을 두고 있다. 연구자들은 에미터 CQD를 위한 원격 전자 패시베이션 역할을 하는 내장형 QD가 있는 적절한 매트릭스를 만들기 위한 대안적인 경로를 택했다. 효율적인 전하 주입을 위해 QD 에미터에 효율적인 전하 이동을 용이하게 하기 위해 매트릭스의 활발한 환경을 설계했다.

이 새로운 하이브리드 장치를 사용하여 연구원은 적외선 범위에서 성능을 테스트하기 위해 태양 전지를 만들었다. 그들은 전자 밀도의 제어와 함께 이러한 나노 복합체에서 달성된 효과적인 패시베이션이 이론적인 한계에 매우 가까운 개방 회로 전압을 제공하는 태양 전지를 생성한다는 것을 발견했다. 태양 전지에 사용할 수 있는 최대 개방 회로 전압 (VOC)은 단일 QD 구성의 경우 0.4V에서 세 가지 혼합 구성의 경우 ~ 0.7V로 증가하며 이는 전지의 낮은 밴드 갭을 고려하면 ~ 0.9eV의 인상적인 값이다.

이 연구의 가장 놀라운 발견은 도트 표면의 화학적 결함으로 채워진 전도성 QD 물질 시스템에서 달성할 수 있는 매우 낮은 전자 트랩 밀도라는 것이다. 또한 이 LED는 패시베이션 전략의 결과이다. 흥미 진진한 결과는 매우 낮은 트랩 밀도로 인해 QD 태양 전지의 높은 VOC 값에 도달할 가능성은 물론 상태 밀도에 대한 새로운 엔지니어링 방식이다.

다음 목표는 태양 전지 장비의 효율을 높은 Voc와 현재의 생산을 동시에 달성하기 위해 다른 방법으로 전자 밀도를 어떻게 시너지 효과 있게 줄이는 지에 대한 집중적인 연구이다.

이 연구에서 얻어진 결과는 태양 전지에 통합된 나노 스케일 QCD 적외선 방출 LED의 엔지니어링이 적외선 범위에서 이러한 장치의 성능 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 이러한 결과는 여전히 스펙트럼을 완전히 활용하고 식품 검사, 환경 모니터링, 제조 프로세스 모니터링 및 생물 의학 또는 야간 활성 이미징 시스템의 온 칩 분광기와 같은 놀라운 새로운 응용 프로그램을 제공할 것이다.