Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico Silvia Franco 22 Settembre 2015

Introduzione La spettroscopia ultraveloce permette di studiare eventi che avvengono in tempi inferiori al picosecondo ( 10 −12 𝑠). 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. Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Tecnica Pump Probe per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Tecnica Pump Probe per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo Il fascio pump eccita il sistema; Il fascio probe agisce da sonda del campione fotoeccitato. Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Tecnica Pump Probe per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo Prism compressor Ricomprimere gli impulsi e compensare la dispersione Chirped mirror Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Tecnica Pump Probe per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo ∆𝑇 𝑇 τ 𝑇 𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑜𝑛 𝑇 𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑜𝑓𝑓 ∆𝑇 𝑇 τ = 𝑇 𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑜𝑛 − 𝑇 𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑜𝑓𝑓 𝑇 𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑜𝑓𝑓 Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Spettroscopia ad assorbimento transiente per l’analisi dei dati raccolti dai processi ultraveloci La trasmittanza e l’assorbanza sono tra loro legate: 𝑇= 𝐼(τ,λ) 𝐼 0 𝐼(τ,λ) e 𝐼 0 irradianza luminosa incidente ed emergente dal campione attraversato 𝐴=−𝑙𝑜𝑔𝑇=𝑙𝑜𝑔 𝐼 0 −𝑙𝑜𝑔𝐼(τ,λ) Trascurando fenomeni di riflessione e diffusione: 𝐴=1−𝑇 ∆𝐴 𝐴 λ =− ∆𝑇 𝑇 (λ) 1−𝐴(λ) 𝐴(λ) Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Contributi al segnale transiente ∆𝐴(τ,λ) Ground state bleach Emissione stimolata Assorbimento da stati eccitati Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Contributi al segnale transiente Ground state bleach Emissione stimolata Assorbimento da stati eccitati Somma dei contributi Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Contributi al segnale transiente Segnale corrispondente osservato nello studio TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Confinamento quantico Confinamento in 1D: Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2D); Confinamento in 2D: Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1D); Confinamento in 3D: Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0D). Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Confinamento quantico Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2D); Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1D); Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0D). Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Confinamento quantico Densità degli stati Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

I quantum dots Il confinamento quantico tridimensionale provoca cambiamenti nelle proprietà ottiche ed elettroniche dei semiconduttori; Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Celle fotovoltaiche ibride e celle a film sottile 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. Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Celle solari a film sottile: QDs di Pbs con NPs di ZnO 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 Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA per verificare il processo di iniezione degli elettroni sull’eterogiunzione Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettri di assorbimento transiente dei soli punti quantici QDs di PbS Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettri di assorbimento transiente dell’eterogiunzione tra i QDs di PbS e le NPs di ZnO Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettri di assorbimento transiente (TA) Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015

Conclusioni La variazione di intensità di assorbimento ∆A in funzione del tempo di ritardo τ , vista nel caso dei soli punti quantici di PbS e dell'eterogiunzione tra i punti quantici e le nanoparticelle di ZnO, mostra nel caso dello spettro dell'eterogiunzione un decadimento ultraveloce attribuito proprio all’iniezione di elettroni dai punti quantici di PbS alle nanopartcelle di ZnO. 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 22 Settembre 2015

Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015