Band gap control via tuning of inversion degree in CdIn2S4 spinel

Based on theoretical arguments, we propose a possible route for controlling the band-gap in the promising photovoltaic material CdIn2S4. Our ab initio calculations show that the experimental degree of inversion in this spinel (fraction of tetrahedral sites occupied by In) corresponds approximately to the equilibrium value given by the minimum of the theoretical inversion free energy at a typical synthesis temperature. Modification of this temperature, or of the cooling rate after synthesis, is then expected to change the inversion degree, which in turn sensitively tunes the electronic band-gap of the solid, as shown here by screened hybrid functional calculations.

Ruling out the impact of defects on the below band gap photoconductivity of Ti supersaturated Si

In this study, we present a structural and optoelectronic characterization of high dose Ti implanted Si subsequently pulsed-laser melted (Ti supersaturated Si). Time-of-flight secondary ion mass spectrometry analysis reveals that the theoretical Mott limit has been surpassed after the laser process and transmission electron microscopy images show a good lattice reconstruction. Optical characterization shows strong sub-band gap absorption related to the high Ti concentration. Photoconductivity measurements show that Ti supersaturated Si presents spectral response orders of magnitude higher than unimplanted Si at energies below the band gap. We conclude that the observed below band gap photoconductivity cannot be attributed to structural defects produced by the fabrication processes and suggest that both absorption coefficient of the new material and lifetime of photoexcited carriers have been enhanced due to the presence of a high Ti concentration. This remarkable result proves that Ti supersaturated Si is a promising material for both infrared detectors and high efficiency photovoltaic devices.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Intermediate band materials for more efficient solar energy use: quantum modelling and experimental realizations

The intermediate band (IB) solar cell (Fig. 1) has been proposed [1] to increase photovoltaic efficiency by a factor above 1.5, based on the absorption of two sub-bandgap photons to promote an electron across the bandgap. To realize this principle, that can be applied also to obtain efficient photocatalysis with sunlight, we proposed in recent years several materials where a metal or heavy element, substituting for an electropositive atom in a known semiconductor that has an appropriate band gap width (around 2 eV), forms inside the gap the partially filled levels needed for this aim

Nanotechnology for more efficient photovoltaics: the quantum dot intermediate band solar cell

The intermediate band solar cell [1] has been proposed as a concept able to substantially enhance the efficiency limit of an ordinary single junction solar cell. If a band permitted for electrons is inserted within the forbidden band of a semiconductor then a novel path for photo generation is open: electron hole pairs may be formed by the successive absorption of two sub band gap photons using the intermediate band (IB) as a stepping stone. While the increase of the photovoltaic (PV) current is not a big achievement —it suffices to reduce the band gap— the achievement of this extra current at high voltage is the key of the IB concept. In ordinary cells the voltage is limited by the band gap so that reducing it would also reduce the band gap. In the intermediate band solar cell the high voltage is produced when the IB is permitted to have a Quasi Fermi Level (QFL) different from those of the Conduction Band (CB) and the Valence Band (VB). For it the cell must be properly isolated from the external contacts, which is achieved by putting the IB material between two n- and p-type ordinary semiconductors [2]. Efficiency thermodynamic limit of 63% is obtained for the IB solar cell1 vs. the 40% obtained [3] for ordinary single junction solar cells. Detailed information about the IB solar cells can be found elsewhere [4].

New Intermediate band sulphide nanoparticles acting in the full visible light range spectra as an active photocatalyst

Nowadays one of the challenges of materials science is to find new technologies that will be able to make the most of renewable energies. An example of new proposals in this field are the intermediate-band (IB) materials, which promise higher efficiencies in photovoltaic applications (through the intermediate band solar cells), or in heterogeneous photocatalysis (using nanoparticles of them, for the light-induced degradation of pollutants or for the efficient photoevolution of hydrogen from water). An IB material consists in a semiconductor in which gap a new level is introduced [1], the intermediate band (IB), which should be partially filled by electrons and completely separated of the valence band (VB) and of the conduction band (CB). This scheme (figure 1) allows an electron from the VB to be promoted to the IB, and from the latter to the CB, upon absorption of photons with energy below the band gap Eg, so that energy can be absorbed in a wider range of the solar spectrum and a higher current can be obtained without sacrificing the photovoltage (or the chemical driving force) corresponding to the full bandgap Eg, thus increasing the overall efficiency. This concept, applied to photocatalysis, would allow using photons of a wider visible range while keeping the same redox capacity. It is important to note that this concept differs from the classic photocatalyst doping principle, which essentially tries just to decrease the bandgap. This new type of materials would keep the full bandgap potential but would use also lower energy photons. In our group several IB materials have been proposed, mainly for the photovoltaic application, based on extensively doping known semiconductors with transition metals [2], examining with DFT calculations their electronic structures. Here we refer to In2S3 and SnS2, which contain octahedral cations; when doped with Ti or V an IB is formed according to quantum calculations (see e.g. figure 2). We have used a solvotermal synthesis method to prepare in nanocrystalline form the In2S3 thiospinel and the layered compound SnS2 (which when undoped have bandgaps of 2.0 and 2.2 eV respectively) where the cation is substituted by vanadium at a ?10% level. This substitution has been studied, characterizing the materials by different physical and chemical techniques (TXRF, XRD, HR-TEM/EDS) (see e.g. figure 3) and verifying with UV spectrometry that this substitution introduces in the spectrum the sub-bandgap features predicted by the calculations (figure 4). For both sulphide type nanoparticles (doped and undoped) the photocatalytic activity was studied by following at room temperature the oxidation of formic acid in aqueous suspension, a simple reaction which is easily monitored by UV-Vis spectroscopy. The spectral response of the process is measured using a collection of band pass filters that allow only some wavelengths into the reaction system. Thanks to this method the spectral range in which the materials are active in the photodecomposition (which coincides with the band gap for the undoped samples) can be checked, proving that for the vanadium substituted samples this range is increased, making possible to cover all the visible light range. Furthermore it is checked that these new materials are more photocorrosion resistant than the toxic CdS witch is a well know compound frequently used in tests of visible light photocatalysis. These materials are thus promising not only for degradation of pollutants (or for photovoltaic cells) but also for efficient photoevolution of hydrogen from water; work in this direction is now being pursued.

The intermediate band approach in the third solar cell generation context

Hydrogenated amorphous silicon thin films were deposited using a high pressure sputtering (HPS) system. In this work, we have studied the composition and optical properties of the films (band-gap, absorption coefficient), and their dependence with the deposition parameters. For films deposited at high pressure (1 mbar), composition measurements show a critical dependence of the purity of the films with the RF power. Films manufactured with RF-power above 80W exhibit good properties for future application, similar to the films deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) for hydrogenated amorphous silicon.

Obtaining an intermediate band photovoltaic material through the Bi insertion in CdTe

Defect interaction can take place in CdTe under Te and Bi rich conditions. We demonstrate in this work through first principles calculations, that this phenomenon allows a Jahn Teller distortion to form an isolated half-filled intermediate band in the host semiconductor band-gap. This delocalized energy band supports the experimental deep level reported in the host band-gap of CdTe at a low bismuth concentration. Furthermore, the calculated optical absorption of CdTe:Bi in this work shows a significant subband-gap absorption that also supports the enhancement of the optical absorption found in the previous experimental results.

Intermediate Band Solar Cell with Extreme Broadband Spectrum Quantum Efficiency

We report, for the first time, about an intermediate band solar cell implemented with InAs/AlGaAs quantum dots whose photoresponse expands from 250 to ~ 6000  nm. To our knowledge, this is the broadest quantum efficiency reported to date for a solar cell and demonstrates that the intermediate band solar cell is capable of producing photocurrent when illuminated with photons whose energy equals the energy of the lowest band gap. We show experimental evidence indicating that this result is in agreement with the theory of the intermediate band solar cell, according to which the generation recombination between the intermediate band and the valence band makes this photocurrent detectable. © 2015 American Physical Society

Self-consistent relativistic band structure of the CH3NH3PbI3 perovskite

The electronic structure and properties of the orthorhombic phase of the CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite are computed with density functional theory. The structure, optimized using a van der Waals functional, reproduces closely the unit cell volume. The experimental band gap is reproduced accurately by combining spin-orbit effects and a hybrid functional in which the fraction of exact exchange is tuned self-consistently to the optical dielectric constant. Including spin-orbit coupling strongly reduces the anisotropy of the effective mass tensor, predicting a low electron effective mass in all crystal directions. The computed binding energy of the unrelaxed exciton agrees with experimental data, and the values found imply a fast exciton dissociation at ambient temperature. Also polaron masses for the separated carriers are estimated. The values of all these parameters agree with recent indications that fast dynamics and large carrier diffusion lengths are key in the high photovoltaic efficiencies shown by these materials.