Проект под руководством молодого сотрудника кластера лабораторий гибридных фотонных наноматериалов и нано-биоинженерии выиграл грант РНФ

06
июля
2018

Проект "Двухфотонные процессы в гибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и плазмонных наноструктур для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике" одержал победу в конкурсе на получение грантов Российского научного фонда по мероприятию "Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых". Руководитель проекта — сотрудник Лаборатории нано-биоинженерии Виктор Кривенков, только недавно защитивший кандидатскую диссертацию.

Суть проекта является создание гибридного материала на основе золотых наностержней, электростатически или химически связанных с водорастворимыми квантовыми точками с многокомпонентной оболочкой, а также в изучении процессов поглощения, переноса и преобразования световой энергии в этом материале и его использовании для разработки прототипов новых высокоэффективных фотовольтаических и оптоэлетронных устройств.

Характерные для квантовых точек широкий спектр и большое сечение поглощения позволяют увеличить эффективность преобразования солнечного излучения в электричество в фотовольтаических ячейках на основе этих наночастиц. Кроме того, чрезвычайно большие сечения двухфотонного поглощения квантовых точек открывают перспективы создания нелинейно-оптических элементов, работающих в режиме двухфотонного возбуждения. Это позволит преобразовывать излучение инфракрасного диапазона, где традиционные фотовольтаические системы малоэффективны, в излучение видимого диапазона. Плазмонные наночастицы благородных металлов — в данном случае, золотые наностержни — имеют еще большие сечения поглощения чем квантовые точки, но ничтожно низкий квантовый выход флюоресценции. Однако, локальное усиление поля вблизи плазмонных наночастиц способно на порядок увеличить поглощения света расположенными рядом квантовыми точками, если оба типа наночастиц имеют перекрывающиеся спектры. При двухфотонном поглощении света эффект оказывается еще большим, поскольку в этом случае интенсивность поглощения растет пропорционально четвертой степени напряженности поля.

рис.png

Другой, еще недостаточно изученный, но полезный для фотовольтаики эффект, наблюдающийся в такой гибридной системе, — увеличение вблизи плазмонной наночастицы вероятности биэкситонного возбуждения квантовой точки, при котором они поглощают один фотон, а испускают сразу два. При этом плазмонные наночастицы могут увеличить также и квантовый выход биэкситонной люминесценции в квантовой точке, обычно ограниченный сильным кулоновским взаимодействием возбужденных зарядов. Применение биэкситонного возбуждения способно сделать квантовую эффективность солнечных элементов выше 100% в той области спектра, где энергия фотона более чем в два раза превышает ширину запрещенной зоны квантовой точки.

Изучение параметров, определяющих выраженность этих эффектов, позволит лучше понять фундаментальные процессы, лежащие в их основе, и создать фотовольтаические и оптоэлектронные элементы с рекордно высокой эффективностью преобразования света.

17