突破！磁性杂质介导的倒置 CdSe/HgSe 量子点实现高效载流子倍增，开启光电器件与光化学反应新篇

在光伏、光检测及光化学等领域，传统载流子倍增（CM）受限于能量增益与损失比，效率有待提升。洛斯阿拉莫斯国家实验室等机构的研究人员，开展了磁性杂质介导的倒置 CdSe/HgSe 量子点中载流子倍增的研究，发现其可高效实现自旋交换载流子倍增（SE-CM），为光电器件和光化学反应带来新希望。

　　在能源与材料科学领域，光伏和光化学等技术的发展一直备受关注。传统的载流子倍增（CM）过程存在效率瓶颈，其在光伏（PV）、光检测以及光化学反应等应用中，受限于热载流子冷却导致的能量损失，使得 CM 产率较低，无法充分发挥其潜力。比如在光伏领域，这直接影响了太阳能电池的光电转换效率，限制了太阳能的高效利用；在光化学反应中，多步还原 / 氧化反应需要大量的电子 - 空穴对（e-h 对），而低效率的 CM 难以满足需求。为了突破这些困境，研究人员不断探索新的材料和机制。

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）等机构的研究人员开展了一项关于磁性杂质介导的倒置 CdSe/HgSe 量子点（QDs）中载流子倍增的研究。他们发现通过在 CdSe/HgSe 量子点中引入锰（Mn）杂质，可实现高效的自旋交换载流子倍增（SE-CM）过程。这一发现意义重大，为提升光电器件性能和推动光化学反应发展提供了新的方向，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用扩散掺杂等程序制备了 Mn 掺杂的 CdSe/HgSe/ZnS 量子点；表征技术上，运用透射电子显微镜（TEM）、元素分析（ICP-AES）等对量子点的结构和成分进行分析；利用光吸收光谱、稳态光致发光光谱（PL）和磁圆二色光谱（MCD）研究量子点的光学性质；借助飞秒瞬态吸收（TA）和光电流测量，检测 CM 并量化其效率。

研究结果如下：

• 量子点合成与掺杂：优化制备了未掺杂的 CdSe/HgSe/ZnS 量子点，通过控制 HgSe 层厚度可调节量子点的带隙。采用扩散掺杂法制备 Mn 掺杂的量子点，Mn 以取代杂质的形式进入量子点，增加了量子点的有效带隙。经检测，部分 Mn 离子通过交换相互作用与 HgSe 壳层的激子耦合，为实现 SE-CM 奠定基础。
• 瞬态吸收测量：通过 TA 实验监测量子点带边态的载流子情况。在未掺杂量子点中，检测到 CM 存在，且确定了双激子的俄歇寿命（τA,XX? ）。对于 Mn 掺杂的量子点，其 1S 漂白弛豫动力学更为复杂，经修正程序量化，发现其 CM 产率（ηCM? ）比未掺杂量子点高 4 倍，在光子能量高于 Mn 自旋翻转跃迁能量（~2.1 eV）时，ηCM? 显著增加。
• 光电流测量：由于 CdSe/HgSe 量子点的倒置能带结构，CM 产生的电子和空穴易于电接触。对量子点薄膜的光电流测量表明，SE-CM 增强了光电流，虽然目前基于 Mn 掺杂量子点的器件中光子 - 电流转换的内部效率未超过 100%，但在 SE-CM 阈值以上有明显提升。
• 对太阳能转换的影响：通过理论模拟评估 SE-CM 对太阳能电池功率转换效率（PCE）的影响。结果显示，在理想情况下，SE-CM 可使 PCE 达到 41%，接近理论极限，有望大幅提升太阳能转换效率。

研究结论表明，Mn 掺杂的 CdSe/HgSe/ZnS 量子点相比未掺杂的量子点，在 CM 产率上有显著增强，这源于 Mn 掺杂介导的 SE-CM 过程。该过程通过 Mn 离子快速捕获热激子，随后自旋翻转弛豫产生两个近带边激子。量子点的倒置能带结构使得产生的电子和空穴易于电接触，其紧密堆积的薄膜展现出良好的光电导特性。此外，PCE 模拟显示，在最优条件下，SE-CM 能显著提升太阳能电池的 PCE，接近理论极限。这一研究不仅为光伏应用带来新的突破可能，还在光化学领域，特别是多载流子反应中，具有重要的应用价值，为相关领域的进一步发展提供了关键的理论和实验依据。