多重励起子生成

太陽電池の研究において、キャリア増倍とは、単一の光子の吸収によって価電子帯から伝導帯へ複数の電子が励起される現象を指します。従来の太陽電池の理論では、各光子は半導体のバンドギャップを越えて1つの電子しか励起できず、その光子に含まれる余剰エネルギーは熱として散逸します。キャリア増倍を起こす材料では、高エネルギーの光子は平均してバンドギャップを越えて1つ以上の電子を励起するため、原理的には太陽電池はより多くの有用な仕事を生み出すことができます。

量子ドット太陽電池では、伝導帯の励起電子が価電子帯に残した正孔と相互作用し、この複合的な非電荷物体は励起子として知られています。ドットにおけるキャリア増倍効果は、複数の励起子を生成することと理解でき、多重励起子生成（MEG）と呼ばれます。MEGはナノ結晶ベースの太陽電池のエネルギー変換効率を大幅に向上させる可能性がありますが、多重励起子の寿命が短いため、エネルギーの抽出は困難になる可能性があります。

MEGの量子力学的起源については依然として議論が続いており、いくつかの可能性が示唆されている。^{[ 1 ]}

• 1)衝撃電離：光によって高エネルギー励起子（X）が励起され、この励起子は不可逆的に崩壊して、このエネルギーで利用可能な多重励起子（多重X）状態の準連続状態となる。このモデルでは、多重励起子の状態密度が非常に高いことのみが必要であり、Xと多重X間のクーロン結合はかなり小さくてもよい。
• 2) 単一励起子状態と多重励起子状態のコヒーレント重ね合わせ：最初に提案されたモデルだが、過度に単純化されている（多重Xの状態密度が高いことが考慮されていない）。光がX（システムの真の固有状態ではない）を励起し、それがコヒーレントに多重Xに変換され、再びXに戻る（量子ビート）。このプロセスでは、それらの間のクーロン結合がフォノンによる減衰率よりもはるかに強い必要がある（通常はそうではない）。励起は最終的に、どちらの減衰が速いかに応じて、フォノンを介してより低いエネルギーのXまたは多重Xに減衰する。
• 3) 仮想励起子状態を介した多重励起子形成。光はシステムの固有状態（この場合、Xと多重Xのコヒーレントな混合物）を直接励起します。「仮想」という用語は、純粋なXに関連しています。なぜなら、それはシステムの真の固有状態ではないからです（モデル2も同様です）。

上記のモデルはすべて、同じ数学モデル（密度行列）で記述できますが、初期パラメータのセット（XとマルチX間の結合強度、状態密度、崩壊率）に応じて異なる挙動を示す可能性があります。

MEGは2004年にコロイド状PbSe量子ドットを用いて初めて観測され^{[ 2 ]}、その後、 PbS、PbTe、CdS、CdSe、InAs、Si ^{[ 3 ]}、InP ^{[ 4 ]}などの他の組成の量子ドットでも発見された。 しかし、コロイド状量子ドットに関する初期の研究の多くは、検出されなかった光充電のためにMEG効果を大幅に過大評価しており、この問題は後にコロイド状サンプルを激しく撹拌することで特定され解決された^{[ 5 ]} 。多重励起子生成は、2011年にコロイド状PbSe量子ドットを用いて、機能する太陽電池で初めて実証された^{[ 6 ]}。多重励起子生成は、単一光子の吸収時に半導体単層カーボンナノチューブ（SWNT）でも検出された。^{[ 7 ]} (6,5) SWNTの場合、SWNTのエネルギーギャップの3倍に相当するエネルギーを持つ単一光子の吸収により、光子あたり130%の励起子生成効率が得られます。SWNTにおける多重励起子生成の閾値は、エネルギー保存則によって定義される限界に近い可能性があります。

グラフェンはナノチューブと密接に関連しており、多重励起子生成が観測されている別の材料である。^{[ 8 ]}

さらに、有機ペンタセン誘導体では、極めて高い量子効率で一重項励起子分裂による二重励起子生成が観測されている。^{[ 9 ]}