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有机半导体激子 有望降低有机太阳能电池的成本、提高光伏转化效率 本报讯据物理学家组织网10月11日报道，美国罗格斯大学研究人员发现，激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离是以前认为的1000多倍，该距离与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美。科学家认为，新的研究发现有望让有机太阳能电池的成本更低、性能更卓越，或许可以取代硅基太阳能电池。相关研究论文发表在《自然·材料学》杂志在线版上。 罗格斯大学的助理教授瓦伊塔利·波德兹瑞福表示，科学界一直使用有机半导体来制造太阳能电池和其他产品，因为，有机半导体能够建造在大的塑料薄片上。但是，有机半导体有限的光伏转化效率限制了其在太阳能领域的发展，但新发现可以加速有机太阳能电池的研发速度。 波德兹瑞福和同事发现，激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的行进距离是以前认为的1000多倍。而此前，研究人员观测到的激子在有机半导体中的行进距离不足200纳米。 波德兹瑞福表示，这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米--其扩散距离从2微米到8微米不等，这个距离与激子在制备无机太阳能电池的材料硅、砷化镓中的扩散距离相媲美。而激子的扩散距离越远，可以吸收的太阳光越多。 波德兹瑞福解释道，当激子碰撞到半导体的边界或结点时，电子移动到结点的一边，电子空穴移动到另一边，产生光伏电流。如果激子的扩散距离不到1纳米，仅仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，这也是为何目前有机太阳能电池的转化效率偏低的原因。 研究人员指出，激子通常可分为万尼尔(Wannier)激子和弗伦克尔(Frenkel)激子。万尼尔激子在晶格中移动得更快，因此，其产生光电的属性更加突出。进一步发现，有机半导体红荧烯晶体内的激子的行为更像无机晶体中的万尼尔激子的行为。而之前，科学家以为，有机半导体中只会出现弗伦克尔激子。因此，该实验证明，激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍，进一步的研究有望研发出效率更高、可批量生产的有机太阳能电池。 研究人员也发明了一种新的技术-偏振分辨感光电流光谱，来分离晶体表面的激子，并且产生大的感光电流，这种技术也可以用于其他物质。(刘霞) 激子是固体中的一种基本的元激发,是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。 激子对描述半导体的光学特性有重要意义；自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂志结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响,并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用.与半导体体材料相比,在量子化的低维电子结构中,激子的束缚能要大得多,激子效应增强,而且在较高温度或在电场作用下更稳定。 在半导体吸收光谱中,本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后,在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外,还可以观测到存在着分立的吸收谱线,这些谱线是由激子吸收引起的,其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时,电子虽已从价带激发到导带,但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起,形成了激子态.自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态. 与氢原子一样,激子也具有相应的基态和激发态,但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上,固体中的激子态可用类氢模型加以描述,并按此模型很好地估算出激子在带边下分立能级的能态和电离能。 总的来说,宽禁带的半导体材料,激子束缚能较大,而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料,其激子电离能较小,激子玻尔半径则较大。 激子效应 激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光,而且,作为固体中的一种元激发,其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外,自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚,形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种,它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚,也可以是一个电荷(电子或空穴)首先被缺陷的近程势所束缚,使缺陷中心荷电,然后再通过库仑互作用(远程势)束缚一个电荷相反的空穴或电子,形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中,由于动量选择定则的限制,材料的发光通常是很弱的,但如果存在束缚激子,其波函数在空间上是局域化的,因而发光跃迁的动量选择定则大大放松,无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样,间接带材料的发