Un material semiconductor para su aplicación en el campo de la optoelectrónica se puede calificar como ideal cuando es capaz de emitir luz de manera muy eficiente tras la excitación óptica, así como ser un conductor de carga eficiente para permitir la inyección eléctrica en los dispositivos. Estas dos condiciones puede llevar a obtener diodos emisores de luz altamente eficientes. Hasta ahora, los materiales que se han acercado a cumplir con estas condiciones se han basado en semiconductores III-IV de crecimiento epitaxial que no pueden integrarse monolíticamente a la electrónica CMOS, y que son caros. Ahora un equipo de investigación del ICFO, ha logrado desarrollar un sistema de nanocompuestos procesados que comprende puntos cuánticos infrarrojos, que cumple con ambas condiciones de forma simultánea y ofrece una integración sencilla y de bajo coste del CMOS.
Los puntos cuánticos coloidales (CQD, por sus siglas en inglés) son partículas o cristales semiconductores extremadamente pequeños, solamente de unos pocos nanómetros de tamaño, y que poseen unas propiedades ópticas y electrónicas únicas. Son excelentes absorbedores y emisores de luz, y sus propiedades cambian en función de su tamaño y forma: los puntos cuánticos más pequeños emiten en el rango azul mientras que los más grandes lo hacen en rojo.
El uso de diodos emisores de luz de punto cuántico coloidal (LED CQD) se está convirtiendo en un uno de los ingredientes claves para el desarrollo de las tecnologías optoelectrónicas del futuro. La implementación de estos nanocristales en dispositivos para, por ejemplo, la detección óptica en onda corta e infrarroja media ha provocado el desarrollo de un gran número de aplicaciones que incluyen, la vigilancia, visión nocturna, productos, monitorización medioambiental y de procesos, espectroscopia, etc.
En este reciente estudio publicado en Nature Nanotechnology, los investigadores del ICFO Santanu Padhan, Francesco Di Stasio, Yu Bi, Shuchi Gupta, Sotirios Christodoulou y Alexandros Stavrinadis, dirigidos por el profesor del ICREA en el ICFO Gerasimos Konstantatos, han desarrollado LEDs Infrarrojos CQD, los cuales poseen unos valores sin precedentes en el rango infrarrojo, con una eficiencia cuántica externa del 7,9% y eficiencia de conversión de energía del 9,3%, un valor nunca antes obtenido para este tipo de dispositivos.
El aspecto clave del trabajo ha sido el desarrollo de una estructura compuesta de puntos coloidales cuánticos diseñada a nivel suprananocristalino para alcanzar una densidad de defectos electrónicos sin precedentes. Esfuerzos anteriores en cuanto a la supresión de defectos electrónicos en sólidos CQD se han basado principalmente en la pasivación química de la superficie del CQD, algo que no pudo resolver los problemas en puntos cuánticos PbS. Los científicos del ICFO siguieron un camino alternativa para la creación de la matriz adecuada donde insertar los puntos cuánticos emisores, para que estos funcionen como un pasivante electrónicos remoto para los CQD del emisor. Además, la matriz fue diseñada para facilitar la distribución eficiente de la carga en los puntos cuánticos emisores logrando una inyección eléctrica eficiente.
Con estos nuevos dispositivos, el equipo fue un paso más allá y construyó células solares para probar su rendimiento en el rango del infrarrojo. Al hacerlo, descubrieron que la pasivación efectiva lograda en estos nanocompuestos, junto con la modulación de la densidad electrónica de los estados, dió como resultado células solares que suministran voltaje en circuito abierto muy cerca del límite teórico. El voltaje en circuito abierto (VOC), que es el voltaje máximo disponible de una celda solar, aumento de 0,4 V para una única configuración de los puntos cuánticos, hasta 0,7V para la configuración de mezcla ternaria, un valor impresionante considerando que el menor intervalo de banda de la celda es de 0,9 eV.
“El hallazgo más sorprendente en este estudio es la extremadamente baja densidades de la trampa electrónica que se puede lograr en un sistema con un material de puntos cuánticos conductivos que está lleno de defectos químicos surgidos de la superficie de los puntos. La muy alta eficiencia cuántica de estos LEDs ha sido consecuencia de esta estrategia de pasivación implementada. El otro resultado emocionante ha sido el potencial de alcanzar valores de VOC tan altos para las células solares de puntos cuánticos, logrados sinérgicamente logrados a un nuevo enfoque de la ingeniería de la densidad de estados en una película semiconductora”, declaró Gerasimos Konstantatos.
“A continuación, nos centraremos en cómo explotar aún más esta reducción de la densidad electrónica de estados de forma sinérgica con otros medios para alcanzar eficiencias de conversión de potencia récord en dispositivos de células solares” concluye el autor principal del estudio Santanu Pradhan.
Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran que la ingeniería de los LED emisores de infrarrojos con puntos cuánticos coloidales integrados en células solares puede mejorar significativamente la eficiencia de rendimientos de estos dispositivos en el rango infrarrojo. Estos resultados abren el camino hacia un rango de espectros que aún está por explotar completamente, ofreciendo la posibilidad de desarrollar nuevas aplicaciones sorprendentes, como espectrómetros on-chip para inspección de alimentos, monitorizaciones ambientales y de procesos de fabricación, así como sistemas de imagen activa para aplicaciones biomédicas y de visión nocturna.
Créditos imágenes: ICFO.
