radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-2-78-88radioelectronics-738Research ArticleРАДИОФОТОНИКАMICROWAVE PHOTONICSФоточувствительные структуры с каскадными концентраторами излучения на основе коллоидных квантовых точек халькогенидов металловPhoto-sensitive Structures with Cascade Radiation Concentrators Based on Colloidal Quantum Dots of Metal ChalcogenidesМихайловИ. И.MikhailovI. I.

Михайлов Иван Игоревич – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2013), магистр-инженер; ассистент кафедры фотоники. Автор 50 научных работ. Сфера научных интересов – электроника, фотоника; солнечная энергетика; органические светодиоды; коллоидные квантовые точки.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Ivan I. Mikhailov, Master in Electronics and Nanoelectronics (2013), Assistant of the Department of Photonics. The author of 50 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy; organic light-emitting diodes; colloidal quantum dots.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

iimihalov@gmail.comЛамкинИ. А.LamkinI. A.

Ламкин Иван Анатольевич – кандидат технических наук (2015), доцент кафедры фотоники. Автор 85 научных работ. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; солнечная энергетика; физика и оптика полупроводников; контакты металл-полупроводник; вакуумная технология. 

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Ivan A. Lamkin, Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor of the Department of Photonics. The author of 85 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy; physics and optics of semiconductors; metal-semiconductor contacts; vacuum technology.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

ialamkin@etu.ruДегтеревА. Э.DegterevA. E.

Дегтерев Александр Эдуардович – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020), аспирант 3-го года обучения, ассистент кафедры фотоники. Автор 29 научных работ. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; солнечная энергетика.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Alexander E. Degterev, Master in Electronics and Nanoelectronics (2020), Postgraduate Student, Assistant of the Department of Photonics. The author of 29 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

aedegterev@etu.ruРомановичМ. М.RomanovichM. M.

Романович Мария Михайловна – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020), аспирантка 3-го года обучения, ассистент кафедры фотоники. Автор 19 научных работ. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; агрофотоника.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Maria M. Romanovich, Master in Electronics and Nanoelectronics (2020), Postgraduate Student, Assistant of the Department of Photonics. The author of 19 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; agrophotonics.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

mmromanovich@etu.ruПавловаМ. Д.PavlovaM. D.

Павлова Марина Дмитриевна – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2019), аспирантка 2-го года обучения кафедры фотоники. Автор 15 научных работ. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; солнечная энергетика; органические фоточувствительные структуры.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Marina D. Pavlova, Master in Electronics and Nanoelectronics (2019). Postgraduate Student of the Department of Photonics. The author of 15 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy organic photosensitive structures.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

mdpavlova@etu.ruКурочкинаМ. А.KurachkinaM. A.

Курочкина Маргарита Анатольевна – кандидат физ.-мат. наук (2017), научный сотрудник. Автор 20 научных работ. Сфера научных интересов – фотоника; микрофлюидика; композиты; сенсоры; лазерная модификация поверхности.

14770, Бранденбург-на-Гавеле, ул. Магдебургер, д. 50

Marharyta A. Kurachkina, PhD (Phys.-Math.) (2017), Researcher of the Department of Technology. The author of 20 scientific publications. Area of expertise: photonics; microfluidics; composites; sensors; laser surface modification.

14770, Brandenburg an der Havel, Magdeburger St., 50

marharyta.kurachkina@th-brandenburg.deТарасовС. А.TarasovS. A.

Тарасов Сергей Анатольевич – доктор технических наук (2016), заведующий кафедрой фотоники. Автор более 160 научных работ. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; солнечная энергетика; физика и оптика полупроводников; светоизлучающие и фоточувствительные приборы.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Sergey A. Tarasov, Dr Sci. (Eng.) (2016), Head of the Department of Photonics. The author of more than 160 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy; physics and optics of semiconductors; light-emitting and photosensitive devices

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

satarasov@etu.ruКузьминаУ. А.KuzminaU. A.

Кузьмина Ульяна Анатольевна – магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2021), аспирантка 2-го года обучения кафедры фотоники. Автор восьми научных публикаций. Сфера научных интересов – электроника; фотоника; солнечная энергетика.

197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф

Ulyana A. Kuzmina, Master in Electronics and Nanoelectronics (2021), Postgraduate Student of the Department of Photonics. The author of 8 scientific publications. Area of expertise: electronics; photonics; solar energy organic photosensitive structures.

197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F

uakuzmina@stud.eltech.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationУниверситет прикладных наук БранденбургаГерманияUniversity of Applied Sciences BrandenburgGermany2023020520232627888Copyright © Михайлов И.И., Ламкин И.А., Дегтерев А.Э., Романович М.М., Павлова М.Д., Курочкина М.А., Тарасов С.А., Кузьмина У.А., 20232023Михайлов И.И., Ламкин И.А., Дегтерев А.Э., Романович М.М., Павлова М.Д., Курочкина М.А., Тарасов С.А., Кузьмина У.А.Mikhailov I.I., Lamkin I.A., Degterev A.E., Romanovich M.M., Pavlova M.D., Kurachkina M.A., Tarasov S.A., Kuzmina U.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/738

Введение. В настоящее время актуально повышение эффективности существующих и создание новых типов фотоприемников. К таким фотоприемникам относятся фоточувствительные структуры на основе каскадных концентраторов, принцип действия которых основан на поглощении оптического излучения с последующим переизлучением на большей длине волны и концентрировании излучения на высокоэффективный фотоприемник малой площади. Спектры поглощения и переизлучения каждого слоя каскада зависят от характеристик используемого материала. Одним из наиболее перспективных материалов для слоев каскада являются коллоидные квантовые точки (ККТ), технология производства которых позволяет точно управлять положением максимума фотолюминесценции. Актуальным является создание и исследование фоточувствительных структур с каскадными концентраторами различной формы на основе ККТ CdS, CdSe/ZnS и PbS.Цель работы. Создание и исследование фоточувствительных структур со спектром чувствительности в широком диапазоне на основе концентраторов, содержащих массивы ККТ халькогенидов металлов, и исследование их характеристик.Материалы и методы. Каскадные фоточувствительные структуры изготовлены на основе слоев, выполненных из полиметилметакрилата и слоев ККТ, заключенных в матрицу из полистирола.Результаты. Приведены результаты исследования изготовленных трехслойных концентраторов с различными коллоидными квантовыми точками в каждом из слоев концентратора. Показано увеличение выходной мощности на 22 % для структуры трехслойного каскада, в котором использовались различные материалы слоев, по сравнению с аналогичной структурой, использующей однослойный концентратор.Заключение. Исследования показали повышение эффективности фоточувствительных структур с каскадным концентратором на основе ККТ различного типа (CdS, CdSe/ZnS и PbS) в слоях каскада.

Introduction. The problem of increasing the efficiency of existing photodetectors and creating their new types attracts much research attention. Among new photodetector types are photosensitive structures based on cascade concentrators, whose operational principle involves the absorption of optical radiation followed by its reemission at a longer wavelength and radiation concentration onto a highly efficient small-area photodetector. The absorption and re-emission spectra of each cascade layer depend on the characteristics of the material used. Сolloidal quantum dots are among the most promising materials for cascade layers due to their manufacturing technology, which provides for accurate control over the photoluminescence maximum position. It seems highly relevant to develop and to study photosensitive structures with cascade concentrators of various shapes based on CdS, CdSe/ZnS, and PbS colloidal quantum dots.Aim. To develop photosensitive structures with a wide-range sensitivity spectrum based on concentrators containing arrays of metal chalcogenide CQDs and to study their characteristics.Materials and methods. Cascade photosensitive structures were manufactured based on layers made of polymethyl methacrylate and layers of colloidal quantum dots embedded in a polystyrene matrix.Results. Three-layer concentrators were manufactured with different colloidal quantum dots in each concentrator layers. A 22 % increase in the output power was observed for a three-layer cascade structure based on different cascade layer materials compared to a similar structure using a single layer concentrator.Conclusion. The conducted studies showed an increase in the efficiency of photosensitive structures with a cascade concentrator based on colloidal quantum dots of various types (CdS, CdSe/ZnS, and PbS) in the cascade layers.

фоточувствительная структура с каскадным концентраторомфотоприемникконцентраторколлоидные квантовые точкиphotosensitive structure with cascade concentratorphotodetectorconcentratorcolloidal quantum dotsИсследование проводилось в рамках проекта № FSEE-2022-0016 (государственное задание Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-01438-22-07).The research was carried out within the framework of the project № FSEE-2022-0016 (state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation № 075-01438-22-07).ReferencesInfluence of the Formation Parameters of Phthalociane: Fullerene Nanocomposite Layer on the Photoelectric Characteristics of ZnPc: C60/C60 Structures / M. D. Pavlova, A. E. Degterev, I. A. Lamkin, S. A. Tarasov // Semiconductors. 2020. Vol. 54, № 13. P. 1800–1804. doi:10.1134/S1063782620130114Pavlova M. D., Degterev A. E., Lamkin I. A., Tarasov S. A. Influence of the Formation Parameters of Phthalociane: Fullerene Nanocomposite Layer on the Photoelectric Characteristics of ZnPc:C60/C60 Structures. Semiconductors. 2020, vol. 54, no. 13, pp. 1800–1804. doi:10.1134/S1063782620130114Ways to Slow down the Degradation and Enhance the Stability of Perovskite Solar Cells / A. E. Degterev, M. M. Romanovich, I. I. Mikhailov, I. A. Lamkin, S. A. Tarasov // Proc. of the 2021 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus 2021), St Petersburg, 26–29 Jan. 2021. IEEE, 2021. P. 1301–1304. doi:10.1109/ElConRus51938.2021.9396607Degterev A. E., Romanovich M. M., Mikhailov I. I., Lamkin I. A., Tarasov S. A. Ways to Slow Down the Degradation and Enhance the Stability of Perovskite Solar Cells. Proc. of the 2021 IEEE Conf. of Russ. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus 2021), Saint Petersburg, 26–29 Jan. 2021, pp. 1301–1304. doi:10.1109/ElConRus51938.2021.9396607Charles U. A., Ibrahim M. A., Teridi M. A. M. Electrodeposition of organic–inorganic tri-halide perovskites solar cell // J. of Power Sources. 2018. Vol. 378. P. 717–731. doi:10.1016/j.jpowsour.2017.12.075Charles U.A., Ibrahim M.A., Teridi M.A.M. Electrodeposition of Organic–Inorganic Tri-Halide Perovskites Solar Cell. J. of Power Sources. 2018, vol. 378, pp. 717–731. doi:10.1016/j.jpowsour.2017.12.075Optimized thin-film organic solar cell with enhanced efficiency / W. Farooq, M. A. Musarat, J. Iqbal, S. A. A. Kazmi, A. D. Khan, W. S. Alaloul, A. O. Baarimah, A. F. Elnaggar, S. S. M. Ghoneim, N. R. Ghaly // Sustainability. 2021. Vol. 13, № 23. P. 13087. doi:10.3390/su132313087Farooq W., Musarat M. A., Iqbal J., Kazmi S. A. A., Khan A. D., Alaloul W. S., Baarimah A. O., Elnaggar A. F., Ghoneim S. S. M., Ghaly N. R. Optimized Thin-Film Organic Solar Cell with Enhanced Efficiency. Sustainability. 2021, vol. 13, no. 23, p. 13087. doi:10.3390/su132313087Calculation of relative fluorescence quantum yield and Urbach energy of colloidal CdS QDs in various easily accessible solvents / D. Kandi, S. Mansingh, A. Behera, K. Parida / J. of Luminescence. 2021. Vol. 231. № 117792. doi:10.1016/j.jlumin.2020.117792Kandi D., Mansingh S., Behera A., Parida K. Calculation of Relative Fluorescence Quantum Yield and Urbach Energy of Colloidal CdS QDs in Various Easily Accessible Solvents. J. of Luminescence. 2021, vol. 231, p. 117792. doi:10.1016/j.jlumin.2020.117792Yifat Y., Ackerman M., Guyot-Sionnest P. Mid-IR colloidal quantum dot detectors enhanced by optical nano-antennas // Appl. Physics Let. 2017. Vol. 110, № 4. P. 041106. doi:10.1063/1.4975058Yifat Y., Ackerman M., Guyot-Sionnest P. MidIR Colloidal Quantum Dot Detectors Enhanced by Optical Nano-Antennas. Applied Physics Let. 2017, vol. 110, no. 4, p. 041106. doi:10.1063/1.4975058Kojima T., Sugimoto H., Fujii M. Size-Dependent Photocatalytic Activity of Colloidal Silicon Quantum Dot // J. of Physical Chemistry C. 2018. Vol. 122, № 3. P. 1874–1880. doi:10.1021/acs.jpcc.7b10967Kojima T., Sugimoto H., Fujii M. Size-Dependent Photocatalytic Activity of Colloidal Silicon Quantum Dot. Journal of Physical Chemistry C. 2018, vol. 122, no. 3, pp. 1874–1880. doi:10.1021/acs.jpcc.7b10967Low-Cost Solution-Processed MoS2 Quantum Dots-Based Deep UV Photodetector for Monitoring Disinfection // P. K. Gupta, U. Pandey, B. N. Pal, A. Pandey // IEEE Trans. on Electron Devices. 2022. Vol. 69, № 5. P. 2474–2480. doi:10.1109/TED.2022.3161885Gupta P. K., Pandey U., Pal B. N., Pandey A. Low-Cost Solution-Processed MoS2 Quantum DotsBased Deep UV Photodetector for Monitoring Disinfection. IEEE Transactions on Electron Devices. 2022, vol. 69, no. 5, pp. 2474–2480. doi:10.1109/TED.2022.3161885Organic light-emitting Diodes with colloidal quantum Dots in the active Layer // A. E. Degterev, I. I. Mikhailov, I. A. Lamkin, S. A. Tarasov // 6th Intern. School and Conf. "Saint Petersburg OPEN 2019": Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Saint Petersburg, 22–25 Apr. 2019. J. of Physics: Conf. Ser. 2019. Vol. 1410. P. 012115. doi:10.1088/1742-6596/1410/1/012115Degterev A. E., Mikhailov I. I., Lamkin I. A., Tarasov S. A. Organic Light-Emitting Diodes with Colloidal Quantum Dots in the Active Layer. J. of Physics: Conf. Series: 6th Intern. School and Conf. "Saint Petersburg OPEN 2019": Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, Saint Petersburg, 22– 25 Apr. 2019, vol. 1410, p. 012115. doi:10.1088/1742-6596/1410/1/012115Николенко Л. М., Разумов В. Ф. Коллоидные квантовые точки в солнечных элементах // Успехи химии. 2013. Т. 82, № 5. С. 429–448.Nikolenko L.M., Razumov V.F. Colloidal Quantum Dots in Solar Cells. Russian Chemical Reviews. 2013, vol. 82, no. 5, pp. 429–448. doi:0.1070/RC2013v082n05ABEH004337Colloidal quantum Dot based Photonic Devices / N. Okoye, D. Goldberg, S. Husaini, Y. Fein, V. M. Menon // IEEE Winter Topicals, WTM 2011, Keystone, CO, USA, 10–12 Jan. 2011. P. 51–52. doi:10.1109/PHOTWTM.2011.5730041Okoye N., Goldberg D., Husaini S., Fein Y., Menon V.M. Colloidal Quantum Dot Based Photonic Devices. IEEE Winter Topicals, WTM 2011, Keystone, CO, 10–12 Jan. 2011, pp. 51–52. doi:10.1109/PHOTWTM.2011.5730041Korbutyak D. V., Kalytchuk S. M., Geru I. I. Colloidal CdTe and CdSe quantum Dots: Technology of preparing and optical properties // J. of Nanoelectronics and Optoelectronics. 2009. Vol. 4, № 1. P. 174–179. doi:10.1166/jno.2009.1019Korbutyak D. V., Kalytchuk S. M., Geru I. I. Colloidal CdTe and CdSe Quantum Dots: Technology of Preparing and Optical Properties. J. of Nanoelectronics and Optoelectronics. 2009, vol. 4, no. 1, pp. 174–179. doi:10.1166/jno.2009.1019Матюшкин Л. Б., Мошников В. А. Технология получения коллоидных квантовых точек, плазмонных наночастиц и гибридных структур на их основе // Материалы пятой междунар. конф. стран СНГ "Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем", СПб., 27–31 авг. 2018. C. 37–38.Matyushkin L. B., Moshnikov V. A. Tekhnologiya polucheniya kolloidnyh kvantovyh tochek, plazmonnyh nanochastic i gibridnyh struktur na ih osnove [Technology for Obtaining Colloidal Quantum Dots, Plasmonic Nanoparticles and Hybrid Structures Based on Them]. Proc. of the 5th Intern. Conf. of the CIS Countries "Sol-gel Synthesis and Study of Inorganic Compounds, Hybrid Functional Materials and Disperse Systems", St Petersburg, 27–31 Aug. 2018, pp. 37–38. (In Russ.)A new Approach to modelling Quantum Dot Concentrators / A. J. Chatten, K. W. J. Barnham, B. F. Buxton, N. J. Ekins-Daukesa, M. A. Malikc // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2003. Vol. 75, № 3–4. P. 363–371.Chatten A. J., Barnham K. W. J., Buxton B. F., Ekins-Daukesa N. J., Malikc M. A. A New Approach to Modelling Quantum Dot Concentrators. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2003, vol. 75, no. 3–4, pp. 363–371.High-performance luminescent solar Concentrators based on the Core/shell CdSe/ZnS Quantum Dots composed into thiol-ene Polymer / X. Cao, Z. Zheng, Y. Zhang, G.Gu, J. Miao, R. Huang, D. Hou, Y. Tian, X. Zhang // J. of Luminescence. 2022. Vol. 252. P. 119368. doi:10.1016/j.jlumin.2022.119368Cao X., Z. Zheng, Zhang Y., Gu G., Miao J., Huang R., Hou D., Tian Y., Zhang X. HighPerformance Luminescent Solar Concentrators Based on the Core/Shell CdSe/ZnS Quantum Dots Composed into Thiol-Ene Polymer. J. of Luminescence. 2022, vol. 252, p. 119368. doi:10.1016/j.jlumin.2022.119368Gallagher S. J., Norton B., Eames P. C. Quantum Dot solar Concentrators: Electrical conversion efficiencies and comparative concentrating Factors of fabricated Devices // Solar Energy. 2007. Vol. 81, № 6. P. 813–821. doi:10.1016/j.solener.2006.09.011Gallagher S. J., Norton B., Eames P. C. Quantum Dot Solar Concentrators: Electrical Conversion Efficiencies and Comparative Concentrating Factors of Fabricated Devices. Solar Energy. 2007, vol. 81, no. 6, pp. 813–821. doi:10.1016/j.solener.2006.09.011Шамилов Р. Р., Галяметдинов Ю. Г. Композиты полиметилметакрилата на основе квантовых точек CdSe и CdSe/CdS, синтезированных в водноэтанольной среде // Вестн. Казанского технол. унта. 2013. Т. 16, № 15. С. 322–324.Shamilov R. R., Galyametdinov Yu. G. Kompozity polimetilmetakrilata na osnove kvantovyh tochek CdSe i CdSe/CdS, sintezirovannyh v vodno–etanol'noj srede [Polymethylmethacrylate Composites Based on CdSe and CdSe/CdS Quantum Dots Synthesized in an Aqueous–Ethanol Medium]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2013, vol. 16, no. 15, pp. 322–324. (In Russ.)Verbunt P. P. C., Debije M. G. Progress in luminescent solar concentrator research: solar energy for the built environment // Electronic Conf. Proc. Linköping. 2011. Vol. 56. P. 2751–2758. doi:10.3384/ecp110572751Verbunt P. P. C., Debije M. G. Progress in Luminescent Solar Concentrator Research: Solar Energy For The Built Environment. Linköping, Electronic Conf. Proc. 2011, vol. 56, pp. 2751–2758. doi:10.3384/ecp110572751

The authors declare that there are no conflicts of interest present.