半导体将光能转换成电流，最新原理证明：能高效地收集热电子！

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半导体能将光子的能量转换成电子电流，然而有些光子携带的能量太多，材料无法吸收更多，这些光子将产生“热电子”，这些电子的多余能量被转化为热。材料科学家也一直在寻找收集这些多余能量的方法。格罗宁根大学和南洋理工大学科学家现在的研究表明：通过将钙钛矿与热电子的受体材料结合起来，这可能比预期的更容易，其对原理的证明发表《科学进展》期刊上。在光伏电池中，半导体将吸收光子能量，但只能从具有适量能量的光子中吸收。能量太少，光子直接通过材料；反之太多，多余的能量以热量的形式损失。

适当的量取决于带隙：最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的能级差。格罗宁根大学超快光谱学教授Maxim Pshenichnikov解释说：高能光子产生热电子的多余能量被材料作为热非常迅速地吸收。为了充分捕获热电子的能量，必须使用带隙较大的材料。然而，这意味着热电子应该在失去能量之前被传输到这种材料中。目前获取这些电子的一般方法是减缓能量损失，例如，通过使用纳米颗粒而不是块状材料。在这些纳米颗粒中，电子释放热的多余能量选择较少。

Pshenichnikov与南洋理工大学的同事一起研究了一种系统，在该系统中，有机-无机混合钙钛矿半导体与有机化合物邻菲咯啉(Bphen)结合，后者是一种具有很大带隙的材料，科学家们使用激光激发钙钛矿中的电子，并研究产生的热电子行为。研究使用了一种叫做泵-推探测的方法，分两步激发电子，并在飞秒时间尺度上研究它们。这使得科学家能够在钙钛矿中产生电子，其能级恰好高于bphen的带隙，而bphen中没有激发电子。因此，这种材料中的任何热电子都可能来自钙钛矿。

结果表明，来自钙钛矿半导体的热电子很容易被bphen吸收。这是在不需要减慢这些电子速度的情况下发生，而且在块状材料中也是如此。所以没有任何技巧，热电子就被收获了。然而，科学家们注意到所需的能量略高于bphen带隙，这是意想不到的。显然，需要一些额外能量来克服两种材料之间的界面障碍。然而，这项研究为在块状钙钛矿半导体材料中收集热电子提供了原理证明，这些实验是用相当于可见光的真实能量进行，下一个挑战是使用这种材料的组合来构建一个真正装置。
博科园｜研究/来自：格罗宁根大学
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