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.

Subband energy in two-band δ-doped semiconductors

We study electron dynamics in a two-band δ-doped semiconductor within the envelope-function approximation. Using a simple parametrization of the confining potential arising from the ionized donors in the δ -doping layer, we are able to find exact solutions of the Dirac-type equation describing the coupling of host bands. As an application we then consider Si δ -doped GaAs. In particular we find that the ground subband energy scales as a power law of the Si concentration per unit area in a wide range of doping levels. In addition, the coupling of host bands leads to a depression of the subband energy due to nonparabolicity effects.

Optics and Optoelectronics of Two-dimensional Semiconducting Monolayers and Heterostructures

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Colloidal dual-band gap cell for photocatalytic hydrogen generation

We report that the internal quantum efficiency for hydrogen generation in spherical, Pt-decorated CdS nanocrystals can be tuned by quantum confinement, resulting in higher efficiencies for smaller than for larger nanocrystals (17.3% for 2.8 nm and 11.4% for 4.6 nm diameter nanocrystals). We attribute this to a larger driving force for electron and hole transfer in the smaller nanocrystals. The larger internal quantum efficiency in smaller nanocrystals enables a novel colloidal dual-band gap cell utilising differently sized nanocrystals and showing larger external quantum efficiencies than cells with only one size of nanocrystals (9.4% for 2.8 nm particles only and 14.7% for 2.8 nm and 4.6 nm nanocrystals). This represents a proof-of-principle for future colloidal tandem cell.

Surfactant-mediated variation of band-edge emission in CdS nanocomposites

The optical-structural characteristics of the direct optical band-gap semiconducting series of surfactant template-mediated laminar (CdS)x(CdCl2)y(CnH2n+4N)z nanocomposites are reported. X-ray diffraction measurements of the nanocomposites exhibited interlaminar distances in the range 2.9-3.6 nm with observations of eighth order {0 0 l} diffraction planes indicative of a high degree of laminarity and crystallographic order. Diffuse reflectance measurements have determined that the profile of their emission spectrum is that of a direct band-gap with absorption edges in the range 2.11-2.40 eV, depending on the CdS mole fraction in the nanocomposite. Photoluminescence (PL) excitation and time-resolved PL spectroscopies give an estimate of the maximum relative absorbance of the nanocomposites at ∼420 nm while the minimum was observed at ∼560 nm. The main emission was observed at ∼700 nm with emission from doubly ionized sulphur vacancies observed at ∼615 nm at room temperature. The CdS-containing nanocomposite is thus a surfactant-mediated modular system with variable band-gap energy emission.

Designing intrinsically photostable low band gap polymers:a smart tool combining EPR spectroscopy and DFT calculations

A rapid and efficient method to identify the weak points of the complex chemical structure of low band gap (LBG) polymers, designed for efficient solar cells, when submitted to light exposure is reported. This tool combines Electron Paramagnetic Resonance (EPR) using the 'spin trapping method' coupled with density functional theory modelling (DFT). First, the nature of the short life-time radicals formed during the early-stages of photo-degradation processes are determined by a spin-trapping technique. Two kinds of short life-time radical (R and R′O) are formed after 'short-duration' illumination in an inert atmosphere and in ambient air, respectively. Second, simulation allows the identification of the chemical structures of these radicals revealing the most probable photochemical process, namely homolytical scission between the Si atom of the conjugated skeleton and its pendent side-chains. Finally, DFT calculations confirm the homolytical cleavage observed by EPR, as well as the presence of a group that is highly susceptible to photooxidative attack. Therefore, the synergetic coupling of a spin trapping method with DFT calculations is shown to be a rapid and efficient method for providing unprecedented information on photochemical mechanisms. This approach will allow the design of LBG polymers without the need to trial the material within actual solar cell devices, an often long and costly screening procedure.

Modifying the band gap and optical properties of Germanium nanowires by surface termination

Semiconductor nanowires, based on silicon (Si) or germanium (Ge) are leading candidates for many ICT applications, including next generation transistors, optoelectronics, gas and biosensing and photovoltaics. Key to these applications is the possibility to tune the band gap by changing the diameter of the nanowire. Ge nanowires of different diameter have been studied with H termination, but, using ideas from chemistry, changing the surface terminating group can be used to modulate the band gap. In this paper we apply the generalised gradient approximation of density functional theory (GGA-DFT) and hybrid DFT to study the effect of diameter and surface termination using –H, –NH2 and –OH groups on the band gap of (001), (110) and (111) oriented germanium nanowires. We show that the surface terminating group allows both the magnitude and the nature of the band gap to be changed. We further show that the absorption edge shifts to longer wavelength with the –NH2 and –OH terminations compared to the –H termination and we trace the origin of this effect to valence band modifications upon modifying the nanowire with –NH2 or –OH. These results show that it is possible to tune the band gap of small diameter Ge nanowires over a range of ca. 1.1 eV by simple surface chemistry.

First principle studies of zigzag AlN nanoribbon

Ab initio density functional calculations were performed to study the geometry and electronic structure of a prototypical zigzag AlN nanoribbon. We find that H-terminated zigzag 10-AlN nanoribbons have a non-direct band gap and are nonmagnetic. When a transverse electric field is applied, the band gap decreases monotonically with the strength of field E. Zigzag AlN nanoribbons with the N edge unpassivated display strong spin-polarization close to the Fermi level, which will result in spin-anisotropic transport. These results suggest potential applications for the development of AlN nanoribbon-based nanoelectronics applications.

Zinc oxide quantum dot nanostructures

Zinc oxide (ZnO) is one of the most intensely studied wide band gap semiconductors due to its many desirable properties. This project established new techniques for investigating the hydrodynamic properties of ZnO nanoparticles, their assembly into useful photonic structures, and their multiphoton absorption coefficients for excitation with visible or infrared light rather than ultraviolet light. The methods developed are also applicable to a wide range of nanoparticle samples.

Optical and electrical properties of SnS semiconductor crystals grown by physical vapor deposition technique

Tin sulfide (SnS) is a material of interest for use as an absorber in low cost solar cells. Single crystals of SnS were grown by the physical vapor deposition technique. The grown crystals were characterized to evaluate the composition, structure, morphology, electrical and optical properties using appropriate techniques. The composition analysis indicated that the crystals were nearly stoichiometric with Sn-to-S atomic percent ratio of 1.02. Study of their morphology revealed the layered type growth mechanism with low surface roughness. The grown crystals had orthorhombic structure with (0 4 0) orientation. They exhibited an indirect optical band gap of 1.06 eV and direct band gap of 1.21 eV with high absorption coefficient (up to 10(3) cm(-1)) above the fundamental absorption edge. The grown crystals were of p-type with an electrical resistivity of 120 Omega cm and carrier concentration 1.52 x 10(15) cm(-3). Analysis of optical absorption and diffuse reflectance spectra showed the presence of a wide absorption band in the wavelength range 300-1200 nm, which closely matches with a significant part of solar radiation spectrum. The obtained results were discussed to assess the suitability of the SnS crystal for the fabrication of optoelectronic devices. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Layer-dependent resonant Raman scattering of a few layer MoS2

We report resonant Raman scattering of MoS2 layers comprising of single, bi, four and seven layers, showing a strong dependence on the layer thickness. Indirect band gap MoS2 in bulk becomes a direct band gap semiconductor in the monolayer form. New Raman modes are seen in the spectra of single- and few-layer MoS2 samples which are absent in the bulk. The Raman mode at similar to 230 cm(-1) appears for two, four and seven layers. This mode has been attributed to the longitudinal acoustic phonon branch at the M point (LA(M)) of the Brillouin zone. The mode at similar to 179 cm(-1) shows asymmetric character for a few-layer sample. The asymmetry is explained by the dispersion of the LA(M) branch along the G-M direction. The most intense spectral region near 455 cm(-1) shows a layer-dependent variation of peak positions and relative intensities. The high energy region between 510 and 645 cm(-1) is marked by the appearance of prominent new Raman bands, varying in intensity with layer numbers. Resonant Raman spectroscopy thus serves as a promising non invasive technique to accurately estimate the thickness of MoS2 layers down to a few atoms thick. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Nanostructured CexZn1-xO thin films: Influence of Ce doping on the structural, optical and electrical properties

Thin films of CexZn1-xO thin films were deposited on glass substrates at 400 degrees C by nebulizer spray pyrolysis technique. Ce doping concentration (x) was varied from 0 to 10%, in steps of 2.5%. X-ray diffraction reveals that all the films have polycrystalline nature with hexagonal crystal structure and high preferential orientation along (002) plane. Optical parameters such as; transmittance, band gap energy, refractive index (n), extinction coefficient (k), complex dielectric constants (epsilon(r), epsilon(i)) and optical conductivity (sigma(r), sigma(i)) have been determined and discussed with respect to Ce concentration. All the films exhibit transmittance above 80% in the wavelength range from 330 to 2500 nm. Optical transmission measurements indicate the decrease of direct band gap energy from 3.26 to 3.12 eV with the increase of Ce concentration. Photoluminescence spectra show strong near band edge emission centered similar to 398 nm and green emission centered similar to 528 nm with excitation wavelength similar to 350 nm. High resolution scanning electron micrographs indicate the formation of vertical nano-rod like structures on the film surface with average diameter similar to 41 nm. Electrical properties of the Ce doped ZnO film have been studied using ac impedance spectroscopy in the frequency range from 100 Hz-1 MHz at different temperatures. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.