Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Nanostrukturované a organické polovodiče tvoří základ řady perspektivních materiálů pro solární články nové generace. Účinnost těchto článků souvisí mj. s rychlostí transportu nosičů náboje a pochopení mechanismů jejich transportu tvoří odrazový můstek k jejímu zvyšování. Ke studiu transportu jsme použili časově rozlišenou terahertzovou spektroskopii, která umožňuje bezkontaktně charakterizovat komplexní vodivost v terahertzovém oboru se subpikosekundovým časovým rozlišením. Vodivostní spektra byla současně zkoumána pomocí numerických simulací. Díky současnému použití experimentálních a teoretických technik jsme porozuměli mechanismům transportu v řadě komplexních materiálů. Ve filmech nanočástic ZnO a TiO₂ jsme popsali souvislost terahertzových spekter s mechanismy transportu uvnitř nanočástic a mezi nanočásticemi [H. Němec a kol., Phys. Rev. B 79, 115309 (2009)]. Tyto poznatky nám později umožnily určit vliv malých a velkých zrn v mikrokrystalickém křemíku na transport nosičů náboje [L. Fekete a kol., Phys. Rev. B 79, 115306 (2009)]. Ve směsi polymeru a elektronového akceptoru jsme zjistili, že pohyb děr po řetězcích polymeru je podstatně omezen potenciálovými bariérami, které mohou souviset např. s torzí řetězců polymeru [H. Němec a kol., Phys. Rev. B 79, 245326 (2009)].

Obr. 1: Schéma principu transportu náboje ve směsi polymeru LBPP1 a fullerenového akceptoru. Vpravo nahoře je znázorněn model potenciálových barier použit k výpočtu transportu náboje mezi jednotlivými segmenty polymeru; vlevo dole je vynesen dramatický pokles vodivosti vlivem lokalizace náboje mezi potenciálovými barierami pozorovaný na sub-pikosekundové časové škále.

Studovali jsme injekci nositelů náboje a jejich následný transport v nanostrukturovaných vzorcích ZnO a TiO₂ senzibilizovaných barvivem. Obecně přijatý obrázek vodivosti těchto systémů předpokládal, že pohyblivé elektrony se objevují ve vodivostním pásu polovodiče současně s jejich injekcí z barvivové molekuly. Naše výsledky ukazují, že injekce nositelů a vytvoření pohyblivých nábojů nejsou nutně bezprostředně spojeny a že se transport náboje v materiálech pro sluneční články může podstatně lišit od transportu v objemových nebo nesenzibilizovaných polovodičích. To je způsobeno silnou elektrostatickou interakcí mezi injektovanými elektrony a kationty barviva na povrchu polovodičových nanočástic, viz Obr. 2 [H. Němec a kol., Phys. Rev. Lett. 104, 197401 (2010)]. (více...)

Obr. 2: Levý panel. Schéma Grätzelova slunečního článku. Dopadající záření nejdříve excituje molekuly barviva. Poté je elektron (e⁻) injektován do polovodičové nanočástice a odveden k anodě. Oxidovaný kationt barviva (D⁺) se v elektrolytu redukuje. Pravý panel. V TiO₂ je elektron injektován do vodivostního pásu polovodiče za méně než 1 ps po fotoexcitaci. Takový elektron se ihned stává pohyblivým a může volně difundovat systémem nanočástic směrem k elektrodě. Naproti tomu injekce do vodivostního pásu ZnO probíhá přes přechodný elektron-kationtový komplex. Tento stav vzniká během 5 ps po osvětlení a má dobu života cca 100 ps. Poté se elektron uvolní, ale zůstává stále slabě přitahovaný kationtem a jeho transport k anodě je tím značně zpomalen.