利用Fano干涉提高量子点光电池效率

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在太阳能电池中,载流子的辐射复合是制约其效率的一个重要因素。由于辐射复合,电子在被光子从价带激发到导带后,有相当一部分电子在形成电池电流之前通过辐射出能量的形式回到价带而与空穴复合,也就是说,这一部分电子损失掉了。针对这一情况,Scully在2010年发表的一篇论文中指出,可以利用外场引起的量子相干来抑制载流子的复合,从而增加电池的效率。随后Anatoly A. Svidzinsky等人的研究表明不需要外场驱动,仅由噪声引起的Fano干涉也可以提高电池效率。在本文中,我们提出了一个五能级的量子点太阳能电池模型,这个五能级包括一个处于最上面的双层激发能级、一个双层中间能级和一个基态能级。这样一个含有中间能级的电池系统不仅能够吸收能量大于半导体材料带隙的光子,这些光子可以把处于基态的电子直接激发到导带上。另外,这个电池系统也能吸收两种能量较小的光子,这些能量较小的光子可以通过一种间接的方式,先把电子从价带激发到中间能级上,然后再将中间能级上的电子激发到导带上。从而,这个含有中间能级的电池系统可以更加充分地利用到太阳能光谱,使更多的光子参与到光电转换的过程中来。又由于当前成熟的半导体掺杂技术,相比由多个单结串联起来的光电池而言,虽然两者都能够利用到不同能量的光子,但是我们的含有中间能级的太阳能电池造价更低,从而更有商业价值。在建立能级模型之后,我们得到了描述系统的哈密顿量,通过主方程,得到了电池系统各个能级的布居数随时间演化的运动方程。在本文中,我们应用数值计算方法求出了这些运动方程的解。通过在能级布居数和电池电流之间建立起对应关系,我们得到和分析了电池电流和各个能级量子相干性之间的函数关系,并且得到了能使电流达到最大值的最佳量子相干配置,相比没有相干的情况而言,最佳的量子相干配置能使电池电流得到显著增加。
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