Massimizzare la luce nei dispositivi optoelettronici

I punti quantici colloidali (CQD) sono al centro di un nuovo campo di ricerca in rapida evoluzione che promette di fornire applicazioni in celle solari efficienti e convenienti. Usati come materiale fotovoltaico assorbente, essi presentano il vantaggio di possedere una banda proibita che può essere regolata semplicemente modificando le dimensioni della nanoparticella. Questo consente loro di assorbire facilmente parti differenti dello spettro solare.

Tuttavia, lo spessore dello strato di CQD è limitato per mantenere un’estrazione efficiente della carica. Nuovi schemi di assorbimento della luce sono perciò necessari per migliorare efficienza e assorbimento della luce. Le nanostrutture plasmoniche metalliche hanno il potenziale per far ulteriormente progredire l’assorbimento della luce negli strati assorbenti di CQD ultra sottili.

Il progetto PECQDPV (“Plasmonically enhanced colloidal quantum dot photodetectors and photovoltaics”), finanziato dall’UE, ha studiato gli effetti ottici ed elettrici dell’integrazione di strutture fotoniche modificate in semplici dispositivi fotoconduttori e fotodiodi, ottenuti da film CQD di solfuro di piombo (PbS).

Usando dei dispositivi fotoconduttori di prova con matrici integrate di nanoparticelle metalliche casuali autoassemblate che disperdono fortemente la luce, gli scienziati hanno dimostrato un aumento pari a 2,4 nella fotocorrente a lunghezze d’onda intorno ai picchi eccitonici dei punti quantici PbS di una data dimensione.

Inoltre, essi hanno studiato gli effetti elettrici dell’integrazione di altre nanostrutture metalliche in questi dispositivi. A seconda del metallo, il contatto diretto con le nanoparticelle ha portato alla soppressione o al potenziamento della fotocorrente. Queste scoperte sono state importanti per la progettazione di dispositivi optoelettronici plasmonici CQD.

L’attenzione si è anche concentrata sull’analisi dei meccanismi fisici dietro al potenziamento plasmonico. A questo scopo, gli scienziati hanno effettuato delle simulazioni ottiche in pieno campo e hanno sviluppato dei semplici modelli analitici. Nelle simulazioni con nanoparticelle Ag, si è scoperto che la distribuzione angolare della luce diffusa era relativamente stretta, e questo riduceva perciò il suo potenziale complessivo di assorbimento della luce. Gli studi sperimentali hanno mostrato che la struttura di modo del film semiconduttore sottile è fondamentale nel determinare la quantità di luce assorbita.

Per aumentare l’efficienza dell’assorbimento della luce oltre quella fornita dalle strutture casuali, sono state esaminate nanostrutture disposte in modo regolare. Gli scienziati hanno sviluppato un modello concettuale per fornire delle semplici regole di progettazione per un assorbimento ottimale della luce nei film sottili con accoppiatori a reticolo 2D. Gli accoppiatori a reticolo sono stati integrati nei fotodiodi come contatto Au posteriore, e hanno raggiunto aumenti della fotocorrente fino a un fattore di 3 per diodi sottili e di 1,5 per diodi spessi, rispetto a dispositivi piani di riferimento di spessore simile.

PECQDPV ha cercato di migliorare l’assorbimento dei dispositivi CQD aggiungendo delle nanostrutture plasmoniche. Le scoperte migliorano la comprensione delle sfide riguardanti la scelta di materiali e metodi plasmonici che aumentano l’assorbimento della luce in un dispositivo CQD con una particolare geometria.