Ultrafast Photoinduced Processes in Core and Core–Shell Quantum Dots for Solar Cell Applications “Tiny Crystals for Big Applications”

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Balansen mellan våra energibehov och den energi som konsumeras är ej längre i jämvikt. Därför är jakten på alternativa energikällor nödvändig. Hållbara energikällor erbjuder ett bra alternativ till fossilbränslen. Bland många typer av hållbara energikällor erbjuder solenergi möjligheten för mer energi än dagens konsumtion. Solceller är de smarta verktyg som omvandlar ljusets fotoner till användbar elektricitet. Utvecklingen av solceller har redan genomgått några generationer där två viktiga faktorer styr marknaden. Solcellernas verkningsgrad samt produktionskostnaderna för att tillverka dem är hörnstenar inom solcellsmarknaden. Tredje generationens solceller försöker optimera verkningsgrad mot kostnad via billiga material som fortfarande är tillräckligt ’smarta’ för att skapa laddningsbärare när ljus absorberas och därefter genererar elektricitet. Samtidigt som elektricitet genereras så är det också ett mål att övervinna termodynamikens effektivitetsgräns. Nanomaterial har framkommit som byggstenar för att samla solenergi i tredje generationens solceller. Bland dessa så har kvantprickar visat sig vara starka kandidater eftersom de har goda egenskaper som hög extinktionskoefficient, justerbar absorption samt möjligheten att generera och samla flera excitoner via en enda högenergetisk foton. Beteendet hos både fotoexciterade elektroner och dito hål bestämmer den generella verkningsgraden hos en solcell baserad på kvantprickar. Denna avhandling presenterar en systematisk studie av den ultrasnabba foto-aktiverade elektrondynamiken inom kvantprickmaterial för solceller. Dessa processer inkluderar laddningsöverföring, excitonmigration, fällnivåers laddningsbärarinfångning och deras verkan på solcellers prestanda. De studerade materialen börjar med konventionella enkla CdSe-kärnkvantprickar och fortsätter med Cd1−xSe1−yZnxSy-gradient-kärn–skal-kvantprickar (CS). Det sistnämnda används för att förbättra optik- och apparatur-prestandan. Elektroninjektionen från CdSe till ZnO-nanotrådar observerades först att hända väldigt snabbt (några ps). Denna snabba elektroninjektionen uppmuntrar oss att studera möjligheten att injicera multipla elektroner från en kvantprick under höga excitationsförhållanden. Vi visade att det uppstår en konkurrens mellan elektoninjektion och Augerrekombination. Jämfört med elektroner så har fotoinducerade hål större sannolikhet att fångas. Men sådana typer av fälltillstånd kan ibland vara radiativa med långa livstider, upp till några 10-tals mikrosekunder, när de befinner sig i oleinsyratäckta CdSe-kvantprickar. I detta scenario är hålinjektion i p-typ-kvantpricksolceller mindre effektivt (<10 %) jämfört med elektroninjektion i motsvarande n-typ-kvantprickar. Det påverkas ytterst av fällor på ytan som skapats av länkmolekylutbytesprocessen. Hålinjektionen kan då förbättras genom att passivera fällorna på ytan genom att använda kärn–skalstrukturer. Utöver elektron- eller hål-injektion kan excitonmigration också ske via FRET (Förster resonance energy transfer, Förster-resonansenergiöverföring). Vi upptäckte att FRET mellan kvantprickar kunde möjliggöra användning av ljusabsorption via de indirekt kopplade kvantprickarna i QD-sensitiserade metalloxidanoder (MO). Inom välstrukturerade blandningar av kvantprickar med olika storlekar är energiöverföring även tydligare. Vi kunde experimentellt observera FRET-processen i slumpmässigt arrangerade kvantprickar av olika storlekar samt i tandemstaplade QD-lager via tidsupplösta metoder och steady state-spektroskopi. Teoretiska simuleringar där en dipolfördelningsmodell introducerades för kopplingsberäkningar överensstämmer väl med experimentella resultat. För att minimera effekten från defekter på ytan och förbättra fotostabiliteten hos solceller gjorda av kvantprickar så studerade vi kärn–skalkvantpricksystem där laddningsbärarinfångning i ytfällor kan vara väl passiverat av skalmaterial som har förbättrade optiska egenskaper och apparaturprestanda. Här används en halvledare med bredare bandgap som en sköld runt den aktiva kärnan i gradienttillväxt, känt som Cd1−xSe1−yZnxSy-gradient-kärn–skal-kvantprickar. Sådana kvantprickar erbjuder högre fotostabilitet, bättre kvantutbyte för fluorescens samt mindre ytdefekter där materialen möts jämfört med de konventionella stegvisa kärn–skalkvantprickarna. Först karaktäriserade vi våra CS-kvantprickar via steady state-spektroskopi tillsammans med HR-TEM-bilder för att fastställa dimensionerna av våra kvantprickar och utvärdera tjockleken på det skyddande skalet. Sen användes XRD och EDX för att karaktärisera den kemiska sammansättningen samt kristallstrukturen. Fotodynamiken hos dessa CS-kvantprickar i fotovoltaiska system studerades också. Vi trodde först att elektroninjektionen från den aktiva kärnan till MO av n-typ visade relativt stort exponentiellt beroende av tjockleken på skalet jämfört med stegvisa kärn–skalkvantprickar. Vi fastställde att det högsta elektroninjektionutbytet (~80 %) kan uppnås när skalet har en tjocklek upp till 1,3 nm. Ett sådant skal tillåter också hög ytpassivering vilket ger optimala förhållanden för laddningsuppsamling i solceller. Till slut integrerade vi vår kunskap om beteendet av elektroner och hål för att förklara solcellsprestanda enligt kärn–skalstrukturer. Vi bekräftade att hålfällor är den kritiska faktorn för verkningsgraden hos solceller gjorda av kvantprickar. Fällornas påverkan kan gottgöras väl genom att använda optimala kärn–skalstrukturer.