最新原理證明：可以高效地收集熱電子！半導體將光能轉換成電流

半導體能將光子的能量轉換成電子電流，然而有些光子攜帶的能量太多，材料無法吸收更多，這些光子將產生「熱電子」，這些電子的多餘能量被轉化為熱。材料科學家也一直在尋找收集這些多餘能量的方法。格羅寧根大學和南洋理工大學科學家現在的研究表明：通過將鈣鈦礦與熱電子的受體材料結合起來，這可能比預期的更容易，其對原理的證明發表《科學進展》期刊上。在光伏電池中，半導體將吸收光子能量，但只能從具有適量能量的光子中吸收。能量太少，光子直接通過材料；反之太多，多餘的能量以熱量的形式損失。

適當的量取決於帶隙：最高占據分子軌道(HOMO)和最低未占據分子軌道(LUMO)之間的能級差。格羅寧根大學超快光譜學教授Maxim Pshenichnikov解釋說：高能光子產生熱電子的多餘能量被材料作為熱非常迅速地吸收。為了充分捕獲熱電子的能量，必須使用帶隙較大的材料。然而，這意味著熱電子應該在失去能量之前被傳輸到這種材料中。目前獲取這些電子的一般方法是減緩能量損失，例如，通過使用納米顆粒而不是塊狀材料。在這些納米顆粒中，電子釋放熱的多餘能量選擇較少。

Pshenichnikov與南洋理工大學的同事一起研究了一種系統，在該系統中，有機-無機混合鈣鈦礦半導體與有機化合物鄰菲咯啉(Bphen)結合，後者是一種具有很大帶隙的材料，科學家們使用雷射激發鈣鈦礦中的電子，並研究產生的熱電子行為。研究使用了一種叫做泵-推探測的方法，分兩步激發電子，並在飛秒時間尺度上研究它們。這使得科學家能夠在鈣鈦礦中產生電子，其能級恰好高於bphen的帶隙，而bphen中沒有激發電子。因此，這種材料中的任何熱電子都可能來自鈣鈦礦。

結果表明，來自鈣鈦礦半導體的熱電子很容易被bphen吸收。這是在不需要減慢這些電子速度的情況下發生，而且在塊狀材料中也是如此。所以沒有任何技巧，熱電子就被收穫了。然而，科學家們注意到所需的能量略高於bphen帶隙，這是意想不到的。顯然，需要一些額外能量來克服兩種材料之間的介面障礙。然而，這項研究為在塊狀鈣鈦礦半導體材料中收集熱電子提供了原理證明，這些實驗是用相當於可見光的真實能量進行，下一個挑戰是使用這種材料的組合來構建一個真正裝置。

博科園｜研究/來自：格羅寧根大學

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax3620

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