Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse

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

Introduzione • 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 Zn. O con depositati punti quantici (QDs) di Pb. S. • 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 Pagina 2

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 Pagina 3

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 Pagina 4

Tecnica Pump Probe per lo studio di processi ultraveloci al femtosecondo • Prism compressor • Chirped mirror Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico Ricomprimere gli impulsi e compensare la dispersione 22 Settembre 2015 Pagina 5

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 Pagina 6

Spettroscopia ad assorbimento transiente per l’analisi dei dati raccolti dai processi ultraveloci • La trasmittanza e l’assorbanza sono tra loro legate: • Trascurando fenomeni di riflessione e diffusione: Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 7

Contributi al segnale transiente • Ground state bleach • Emissione stimolata • Assorbimento da stati eccitati Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 8

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 Pagina 9

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 Pagina 10

Confinamento quantico Confinamento in 1 D: • Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2 D); Confinamento in 2 D: • Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1 D); Confinamento in 3 D: • Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0 D). Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 11

Confinamento quantico • Quantum Well, confinamento in un piano quantico (2 D); • Quantum Wire, confinamento in un filo quantico (1 D); • Quantum Dot, confinamento in un punto quantico (0 D). Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 12

Confinamento quantico Densità degli stati Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 13

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 Pagina 14

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 Pagina 15

Celle solari a film sottile: QDs di Pbs con NPs di Zn. O • 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 Zn. O con depositati punti quantici di Pb. S Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 16

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 Pagina 17

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettri di assorbimento transiente dei soli punti quantici QDs di Pb. S Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 18

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettri di assorbimento transiente dell’eterogiunzione tra i QDs di Pb. S e le NPs di Zn. O Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 19

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 Pagina 20

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 21

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

Iniezione elettroni verificata tramite spettroscopia TA Spettroscopia ultraveloce applicata a materiali nanocompositi di interesse per il fotovoltaico quantistico 22 Settembre 2015 Pagina 23

Conclusioni • 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 Pb. S e il più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO) delle nanoparticelle di Zn. O. • 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 Pagina 24

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