Спинельные сульфидные полупроводники: прорыв в LED и солнечных элементах

Исследователи из Токийского научного института разработали уникальный полупроводниковый материал на основе сульфидов со спинельной структурой, способный излучать свет в диапазоне от фиолетового до оранжевого при комнатной температуре. Этот прорыв открывает новые возможности для создания высокоэффективных светодиодов и солнечных элементов следующего поколения.

Материал (Zn,Mg)Sc2S4 обладает редким свойством химической настройки — его можно переключать между n-типом и p-типом проводимости. Это позволяет создавать гомопереходные pn-устройства, которые являются основой для современных оптоэлектронных приборов.

Эффективность светодиодов и солнечных элементов напрямую зависит от свойств используемых материалов. В то время как кремний отлично поглощает солнечный свет, но плохо излучает его, новые спинельные сульфиды демонстрируют превосходные характеристики в обоих направлениях.

Ключевым достижением стало решение проблемы «зелёного разрыва» — давней трудности в создании эффективных зеленых светодиодов. Материал ZnSc2S4 при комнатной температуре излучает интенсивный оранжевый свет, а введение магния позволяет смещать излучение в зеленую и даже синюю область спектра.

Исследовательская группа продемонстрировала, что путем введения титана или небольшого уменьшения содержания цинка можно модулировать проводимость материала на девять порядков величины. Это открывает возможности для использования материала как в качестве absorbing слоя в солнечных элементах, так и в качестве emitting слоя в светодиодах.

Уникальная электронная структура спинельных сульфидов, где conduction band минимум формируется s-орбиталями катионов A-позиции, а valence band максимум — p-орбиталями серы, обеспечивает прямою bandgap, что критически важно для эффективной рекомбинации носителей заряда.

Этот многофункциональный полупроводниковый материал представляет собой практическое решение для разработки более эффективных оптоэлектронных устройств будущего.