Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Silvia Franco

22 Settembre 2015

Introduzione

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 2

22 Settembre 2015

• Il fotovoltaico quantistico è un settore di ricerca emergente che mira ad impiegare semiconduttori confinati quantisticamente (come i quantum dots QDs), nella costruzione delle nuove celle solari a film sottile.

• Vengono considerati, come abbinamento promettente per la realizzazione di tali celle, strati di nanoparticelle (NPs) di ZnO con depositati punti quantici (QDs) di PbS.

• Tramite la spettroscopia ad assorbimento transiente (TA), viene verificata la funzionalità di questo abbinamento studiando l’efficienza del processo di trasferimento degli elettroni sull'eterogiunzione della cella.

Tecnica Pump Probe

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 3

22 Settembre 2015

per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo

Tecnica Pump Probe

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 4

22 Settembre 2015

per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo

• Il fascio pump eccita il sistema;

• Il fascio probe agisce da sonda del campione fotoeccitato.

Tecnica Pump Probe

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 5

22 Settembre 2015

per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo

• Prism compressor

• Chirped mirror

Ricomprimere gli impulsi e compensare la dispersione

Tecnica Pump Probe

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 6

22 Settembre 2015

per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo

Spettroscopia ad assorbimento transiente

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 7

22 Settembre 2015

per l’analisi dei dati raccolti dai processi ultraveloci

• La trasmittanza e l’assorbanza sono tra loro legate:

• Trascurando fenomeni di riflessione e diffusione:

Contributi al segnale transiente

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 8

22 Settembre 2015

• Ground state bleach
• Emissione stimolata
• Assorbimento da stati eccitati

​

​

Contributi al segnale transiente

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 9

22 Settembre 2015

• Ground state bleach

• Emissione stimolata

• Assorbimento da stati eccitati

• Somma dei contributi

Contributi al segnale transiente

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 10

22 Settembre 2015

Segnale corrispondente osservato nello studio TA

Confinamento quantico

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 11

22 Settembre 2015

• Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2D);

• Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1D);

• Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0D).

Confinamento in 1D:

Confinamento in 2D:

Confinamento in 3D:

Confinamento quantico

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 12

22 Settembre 2015

• Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2D);

• Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1D);

• Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0D).

Confinamento quantico

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 13

22 Settembre 2015

Densità degli stati

I quantum dots

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 14

22 Settembre 2015

• Il confinamento quantico tridimensionale provoca cambiamenti nelle proprietà ottiche ed elettroniche dei semiconduttori;

Celle fotovoltaiche ibride e celle a film sottile

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 15

22 Settembre 2015

• Lo strato fotoattivo di eterogiunzione è il cuore della cella;

• Celle a film sottile realizzate tramite la deposizione di un materiale semiconduttore su un supporto di tipo vetroso.

Celle solari a film sottile: QDs di Pbs con NPs di ZnO

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 16

22 Settembre 2015

• Per il migliorare l'efficienza della cella: maggiore contatto tra i materiali dello strato fotoattivo;

• La tecnica di deposizione "layer by layer" sostituisce i tradizionali metodi, al fine di raggiungere un maggiore contatto interfacciale sull'eterogiunzione.

• Nuovo abbinamento per celle a film sottile:�Nanoparticelle di ZnO con depositati punti quantici di PbS

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 17

22 Settembre 2015

per verificare il processo di iniezione degli elettroni sull’eterogiunzione

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 18

22 Settembre 2015

Spettri di assorbimento transiente dei soli punti quantici QDs di PbS

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 19

22 Settembre 2015

Spettri di assorbimento transiente dell’eterogiunzione tra i QDs di PbS e le NPs di ZnO

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 20

22 Settembre 2015

Spettri di assorbimento transiente (TA)

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 21

22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 22

22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 23

22 Settembre 2015

Conclusioni

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 24

22 Settembre 2015

• Sulla base dei dati del decadimento esponenziale, il decadimento ultraveloce avviene in una costante di tempo pari a 160 fs.

• Il trasferimento ultraveloce dei portatori di carica, è supportato anche dall’allineamento energetico tra i livelli degli elettroni eccitati dei punti quantici di PbS e il più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO) delle nanoparticelle di ZnO.

• Così, questo nuovo abbinamento che si basa su semiconduttori confinati quantisticamente e nanoparticelle di ossidi metallici, risulta promettente per la realizzazione di celle a film sottile per soddisfare la richiesta di un fotovoltaico che impieghi materiali meno dispensiosi e adattabili a numerosi superfici al fine di ridurre lo spessori dei materiali e ridurre i costi di fabbricazione.

Fine

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico

Pagina 25

22 Settembre 2015