Фоточувствительные структуры с каскадными концентраторами излучения на основе коллоидных квантовых точек халькогенидов металлов

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.

1. Influence 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/S1063782620130114

2. Ways 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/ElConRus51938.2021.9396607

3. Charles 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.2017.12.075

4. Optimized 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/su132313087

5. Calculation 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.2020.117792

6. Yifat 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:10.1063/1.4975058

7. Kojima 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.7b10967

8. Low-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.2022.3161885

9. Organic 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:10.1088/1742-6596/1410/1/012115

10. Николенко Л. М., Разумов В. Ф. Коллоидные квантовые точки в солнечных элементах // Успехи химии. 2013. Т. 82, № 5. С. 429–448.

11. Colloidal 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.2011.5730041

12. Korbutyak 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.2009.1019

13. Матюшкин 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.

14. 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.

15. 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.2022.119368

16. Gallagher 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.2006.09.011

17. Шамилов 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.

18. 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/ecp110572751