توليد الإكسيتونات المتعددة

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
تحليل أسباب حد شوكلي-كويسر . يمثل الارتفاع الأسود حد شوكلي-كويسر لأقصى طاقة يمكن استخلاصها كطاقة كهربائية مفيدة في خلية شمسية تقليدية . مع ذلك، يمكن للخلية الشمسية متعددة توليد الإكسيتونات استخدام جزء من الطاقة في المنطقة الخضراء (وإلى حد أقل في المنطقة الزرقاء)، بدلاً من تبديدها على شكل حرارة. لذا، من الناحية النظرية، يمكنها تجاوز حد شوكلي-كويسر.

في أبحاث الخلايا الشمسية ، يُعرف تضاعف حاملات الشحنة بأنه ظاهرة يؤدي فيها امتصاص فوتون واحد إلى إثارة عدة إلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. في نظرية الخلية الشمسية التقليدية ، لا يستطيع كل فوتون إثارة سوى إلكترون واحد عبر فجوة الطاقة في أشباه الموصلات ، وتُبدد أي طاقة زائدة في هذا الفوتون على شكل حرارة. أما في مادة ذات خاصية تضاعف حاملات الشحنة، فإن الفوتونات عالية الطاقة تُثير في المتوسط ​​أكثر من إلكترون واحد عبر فجوة الطاقة، وبالتالي، من حيث المبدأ، يمكن للخلية الشمسية إنتاج طاقة أكثر فائدة.

في الخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية ، يتفاعل الإلكترون المُثار في نطاق التوصيل مع الفجوة التي يُخلّفها في نطاق التكافؤ، ويُعرف هذا الجسم المركب غير المشحون باسم الإكسيتون . يُمكن فهم تأثير مضاعفة حاملات الشحنة في النقطة الكمومية على أنه توليد إكسيتونات متعددة، ويُسمى هذا التأثير بتوليد الإكسيتونات المتعددة (MEG). قد يُحسّن توليد الإكسيتونات المتعددة كفاءة تحويل الطاقة في الخلايا الشمسية النانوية البلورية بشكل ملحوظ ، على الرغم من أن استخلاص الطاقة قد يكون صعبًا نظرًا لقصر أعمار الإكسيتونات المتعددة.

لا يزال الأصل الكمي لتقنية تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) محل نقاش، وقد تم اقتراح العديد من الاحتمالات: [ 1 ]

  • 1) التأين بالصدم : يُثير الضوء إكسيتونًا عالي الطاقة (X) يتحلل بشكل غير قابل للانعكاس إلى شبه متصل من حالات الإكسيتونات المتعددة (multi-X) المتاحة عند هذه الطاقة. يتطلب النموذج فقط أن تكون كثافة حالات الإكسيتونات المتعددة عالية جدًا، بينما يمكن أن يكون اقتران كولوم بين X و multi-X صغيرًا جدًا.
  • 2) التراكب المتماسك لحالات الإكسيتون المفردة والمتعددة: هذا هو النموذج الأول المقترح، ولكنه مبسط للغاية (إذ لا يأخذ في الحسبان الكثافة العالية لحالات الإكسيتون المتعدد). يُثير الضوء حالة إكسيون (وهي ليست حالة ذاتية حقيقية للنظام)، والتي يمكن أن تتحول بشكل متماسك إلى إكسيون متعدد ثم تعود إلى إكسيون عدة مرات ( نبضات كمومية ). تتطلب هذه العملية أن يكون اقتران كولوم بينهما أقوى بكثير من معدل الاضمحلال عبر الفونونات (وهو ما لا يحدث عادةً). في النهاية، يتحلل الإثارة عبر الفونونات إلى حالة إكسيون ذات طاقة أقل أو إلى إكسيون متعدد، وذلك بحسب أي من الاضمحلالين أسرع.
  • 3) تكوين الإكسيتونات المتعددة عبر حالة إكسيتون افتراضية. يُثير الضوء مباشرةً الحالة الذاتية للنظام (في هذه الحالة، مزيج متماسك من الإكسيتون X والإكسيتونات المتعددة). يشير مصطلح "افتراضي" هنا إلى الإكسيتون X النقي، لأنه ليس حالة ذاتية حقيقية للنظام (وينطبق الأمر نفسه على النموذج 2).

يمكن وصف جميع النماذج المذكورة أعلاه بنفس النموذج الرياضي ( مصفوفة الكثافة ) الذي يمكن أن يتصرف بشكل مختلف اعتمادًا على مجموعة المعلمات الأولية (قوة الاقتران بين X و multi-X، وكثافة الحالات، ومعدلات الاضمحلال).

لوحظ توليد الإكسيتونات المتعددة (MEG) لأول مرة عام 2004 باستخدام النقاط الكمومية الغروية من سيلينيد الرصاص (PbSe) [ 2 ] ، ثم وُجد لاحقًا في نقاط كمومية ذات تركيبات أخرى، بما في ذلك كبريتيد الرصاص (PbS) ، وتيلوريد الرصاص ( PbTe ) ، وكبريتيد الكادميوم (CdS) ، وسيلينيد الكادميوم (CdSe )، وأرسينيد الإنديوم (InAs ) ، والسيليكون ( Si ) [ 3 ] ، وفوسفيد الإنديوم (InP) [ 4 ] . مع ذلك، بالغت العديد من الدراسات المبكرة على النقاط الكمومية الغروية في تقدير تأثير توليد الإكسيتونات المتعددة بشكل كبير بسبب عدم رصد الشحن الضوئي، وهي مشكلة تم تحديدها وحلها لاحقًا عن طريق تحريك العينات الغروية بقوة [ 5 ] . تم إثبات توليد الإكسيتونات المتعددة لأول مرة في خلية شمسية عاملة عام 2011، باستخدام النقاط الكمومية الغروية من سيلينيد الرصاص (PbSe) أيضًا [ 6 ] . كما تم رصد توليد الإكسيتونات المتعددة في أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار شبه الموصلة (SWNTs) عند امتصاص فوتونات مفردة. [ 7 ] بالنسبة لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار (6,5)، يؤدي امتصاص الفوتونات المفردة ذات الطاقات التي تعادل ثلاثة أضعاف فجوة الطاقة في أنبوب الكربون النانوي أحادي الجدار إلى كفاءة توليد إكسيتون تبلغ 130% لكل فوتون. ويمكن أن يكون عتبة توليد الإكسيتونات المتعددة في أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار قريبة من الحد الذي يحدده قانون حفظ الطاقة.

يُعد الجرافين ، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالأنابيب النانوية، مادة أخرى لوحظ فيها توليد إكسيتونات متعددة. [ 8 ]

وقد لوحظ توليد الإكسيتون المزدوج أيضًا في مشتقات البنتاكين العضوية من خلال انشطار الإكسيتون المفرد بكفاءة كمية عالية للغاية . [ 9 ]

مراجع

  1. ↑ تيمرمان، د.؛ عز الدين، إ.؛ ستالينغا، ب.؛ ياسيفيتش، إ.ن.؛ غريغوركيويتش، ت. (2008). "القطع الكمي المفصول مكانيًا باستخدام بلورات السيليكون النانوية لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية". مجلة نيتشر فوتونيكس . 2 (2): 105. رمز Bibcode : 2008NaPho...2..105T . doi : 10.1038/nphoton.2007.279 .
  2. ↑ شالر، ر.؛ كليموف، ف. (2004). "مضاعفة حاملات الشحنة بكفاءة عالية في بلورات نانوية من سيلينيد الرصاص: تطبيقات في تحويل الطاقة الشمسية". رسائل المراجعة الفيزيائية . 92 (18) 186601. arXiv : cond-mat/0404368 . Bibcode : 2004PhRvL..92r6601S . doi : 10.1103 /PhysRevLett.92.186601 . PMID 15169518. S2CID 4186651 .  
  3. ↑ بيرد، إم سي؛ كنوتسن، كيه بي؛ يو، بي؛ لوثر، جيه إم؛ سونغ، كيو؛ ميتزجر، دبليو كيه؛ إلينغسون، آر جيه؛ نوزيك، إيه جيه (2007). "MEG في بلورات السيليكون النانوية الغروية". رسائل نانو . 7 (8): 2506-12 . Bibcode : 2007NanoL...7.2506B . doi : 10.1021/nl071486l . PMID 17645368 . 
  4. ↑ ستوبس، ستيوارت ك.؛ هاردمان، سامانثا ج. أو.؛ ​​غراهام، دارين م.؛ سبنسر، بن ف.؛ فلافيل، ويندي ر.؛ غلارفي، بول؛ ماسالا، أومبريتا؛ بيكيت، نايجل ل.؛ بينكس، ديفيد ج. (2010). "مضاعفة حاملات الشحنة بكفاءة في جسيمات InP النانوية" (ملف PDF) . مجلة Physical Review B. 81 (8) 081303. Bibcode : 2010PhRvB..81h1303S . doi : 10.1103/PhysRevB.81.081303 .
  5. ↑ ماكغواير، جون أ.؛ سيكورا، ميلان؛ جو، جين؛ بيتريغا، جيفري م.؛ كليموف، فيكتور إ. (2010). "مردود تضاعف حاملات الشحنة الظاهري مقابل الحقيقي في البلورات النانوية لأشباه الموصلات" . رسائل نانو . 10 (6): 2049-2057 . Bibcode : 2010NanoL..10.2049M . doi : 10.1021/nl100177c . PMID 20459066 . 
  6. ↑ سيمونين، أو إي؛ لوثر، جيه إم؛ تشوي، إس؛ تشين، إتش واي؛ غاو، جيه؛ نوزيك، إيه جيه؛ بيرد، إم سي (2011). "كفاءة كمية قصوى للتيار الضوئي الخارجي تتجاوز 100% عبر MEG في خلية شمسية بنقاط كمية". مجلة ساينس . 334 (6062): 1530-1533 . Bibcode : 2011Sci...334.1530S . doi : 10.1126/science.1209845 . PMID 22174246. S2CID 36022754 .  
  7. ↑ وانغ، شوجينغ؛ خافيزوف، مارات؛ تو، شياومين؛ تشنغ، مينغ؛ كراوس، تود د. (14 يوليو 2010). "توليد إكسيتونات متعددة في أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار". رسائل نانو . 10 (7): 2381-2386 . Bibcode : 2010NanoL..10.2381W . doi : 10.1021/nl100343j . PMID 20507082 . 
  8. ↑ تيلروي، كيه جيه؛ سونغ، جيه سي دبليو؛ جنسن، إس إيه؛ سينتينو، إيه؛ بيسكويرا، إيه؛ زوروتوزا إلورزا، إيه؛ بون، إم؛ ليفيتوف، إل إف؛ كوبنز، إف إتش إل (24 فبراير 2013). "سلسلة الإثارة الضوئية وتوليد حاملات الشحنة الساخنة المتعددة في الجرافين". فيزياء الطبيعة . 9 (4): 248-252 . arXiv : 1210.1205 . Bibcode : 2013NatPh...9..248T . doi : 10.1038/nphys2564 . S2CID 13999471 . 
  9. ↑ كونغريف، دي إن (2013). "كفاءة كمية خارجية تتجاوز 100% في خلية ضوئية عضوية تعتمد على انشطار الإكسيتون المفرد". مجلة ساينس . 340 (6130): 334-337 . Bibcode : 2013Sci...340..334C . doi : 10.1126/science.1232994 . PMID 23599489. S2CID 46185590 .