Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Nanostrukturované polovodiče pokryté fotocitlivým barvivem jsou perspektivní materiály využívané v Grätzelových solárních článcích. Princip jejich fungování spočívá v celém řetězci komplexních fyzikálních procesů. Účinnost těchto článků souvisí mj. s rychlostí transportu nosičů náboje a pochopení mechanismů jejich transportu je základem k jejímu zvyšování. Zde se zabýváme procesy probíhajícími na sub-nanosekundové časové škále, tj. zejména injekcí elektronů do polovodiče a počáteční fází jejich transportu směrem k anodě (viz Obr. 1). Ke studiu používáme časově rozlišenou terahertzovou spektroskopii, která umožňuje bezkontaktně měřit fotovodivostní spektra se subpikosekundovým časovým rozlišením, doplněnou numerickými simulacemi.
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 molekuly barviva. 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. V případě ZnO se 5 ps po ozáření objevuje elektron-kationtový complex, který má za následek rychlou rekombinaci náboje. Navíc se vlivem silné elektrostatické interakce mezi injektovanými elektrony a kationty barviva dramaticky snižuje pohyblivost elektronů i po disociaci tohoto komplexu (100 ps). Naproti tomu fotosenzibilizované nanočástice TiO₂ tímto jevem ovlivněny nejsou díky jejich vysoké permitivitě, která odstíní elektrostatickou interakci. Domníváme se, že popsané procesy jsou důvodem rozdílných účinností energetické konverze v Grätzelových článcích s TiO₂ a ZnO [H. Němec a kol., Phys. Rev. Lett. 104, 197401 (2010)]. (více...)

Obr. 1: 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.