半導體能將光子的能量轉(zhuǎn)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(chǎn)生“熱電子”，這些電子的多余能量被轉(zhuǎn)化為熱。材料科學家也一直在尋找收集這些多余能量的方法。

格羅寧根大學和南洋理工大學科學家現(xiàn)在的研究表明：通過將鈣鈦礦與熱電子的受體材料結(jié)合起來，這可能比預期的更容易，其對原理的證明發(fā)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，多余的能量以熱量的形式損失。

適當?shù)牧咳Q于帶隙：最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占據(jù)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(chǎn)生熱電子的多余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?shù)竭@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，電子釋放熱的多余能量選擇較少。

Pshenichnikov與南洋理工大學的同事一起研究了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)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(jié)合，后者是一種具有很大帶隙的材料，科學家們使用激光激發(fā)鈣鈦礦中的電子，并研究產(chǎn)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(fā)電子，并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(chǎn)生電子，其能級恰好高于bphen的帶隙，而bphen中沒有激發(fā)電子。因此，這種材料中的任何熱電子都可能來自鈣鈦礦。

結(jié)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(fā)生，而且在塊狀材料中也是如此。所以沒有任何技巧，熱電子就被收獲了。然而，科學家們注意到所需的能量略高于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界面障礙。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，這些實驗是用相當于可見光的真實能量進行，下一個挑戰(zhàn)是使用這種材料的組合來構(gòu)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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