Interplay of electron trapping by defect midgap state and quantum confinement to optimize the hot-carrier effect in a nanowire structure

纳米线 材料科学 载流子 电子 带隙 量子点 载流子寿命 光电子学 潜在井 凝聚态物理 纳米技术 物理 量子力学
作者
Imam Makhfudz,Hamidreza Esmaielpour,Yaser Hajati,Gregor Koblmüller,Nicolas Cavassilas
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:110 (12) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physrevb.110.l121302
摘要

Hot carrier effect, a phenomenon where charge carriers generated by photon absorption remain energetic by not losing much energy, has been one of the leading strategies in increasing solar cell efficiency. Nanostructuring offers an effective approach to enhance hot carrier effect via the spatial confinement, as occurring in a nanowire structure. The recent experimental study by Esmaielpour et al. [ACS Applied Nano Materials 7, 2817 (2024)] reveals a fascinating non-monotonic dependence of the hot carrier effect in nanowire array on the diameter of the nanowire, contrary to what might be expected from quantum confinement alone. We show that this non-monotonic behavior can be explained by a simple model for electron energy loss that involves two principal mechanisms. First, electron-phonon scattering, that increases with nanowire diameter, leading to hot carrier effect that decreases with increasing diameter. Second, electron capture by a defect level within band gap, that is, a midgap state, that decreases with nanowire diameter, leading to hot carrier effect that increases with increasing diameter. The two mechanisms balance at a certain diameter corresponding to optimal hot carrier effect. Our result offers a guideline to optimize hot carrier effect in nanowire solar cells and ultimately their efficiency by adjusting the dimensions and micro-structural properties of nanowires.

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