Heiße Ladungsträger in Quantenpunkt-basierten Elektronentransfersystemen für die Anwendung in der Photovoltaik

• Antragsteller: Professor Dr. Josef Wachtveitl
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262584021

Günstige Solarzellen als Alternative zur weit verbreiteten siliziumbasierten Photovoltaik (PV) sind in den letzten Jahrzehnten auf großes Interesse gestoßen. Auf diesem Gebiet erreicht die farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC) mit einem molekularen Farbstoff als Lichtabsorber eine Umwandlungseffizienz von 11,9% mit einem Elektronentransfer (ET) im Femtosekundenbereich. Inspiriert von der DSSC wurde die Quantenpunkt-Solarzelle (QDSC) entwickelt, bei der die Lichtsammlung durch Halbleiter-Quantenpunkte (QD) erreicht wird. QD weisen hohe Photostabilität, große Extinktion bis ins nahe Infrarot und die Möglichkeit zur Ladungsträgervervielfachung auf. Hindernisse für höhere Effizienzen von QDSCs sind Fallenzustände innerhalb der Bandlücke aufgrund des großen Oberfläche/Volumen-Verhältnisses von QD. Eine Alternative zu Halbleiter-QD sind Metall-QD (Au, Ag, Cu) aufgrund eines plasmoneninduzierten ET zu TiO2.Das vorangegangene Projekt zielte auf Ladungs- und Energietransfer in „QD-molekularer Akzeptor“-Anordnungen mit Fokus auf Ladungstrennung in Heterostrukturen und heiße Ladungsträger. Darüber hinaus wurden der photoinduzierte ET und kohärente Phänomene an der Farbstoff/Halbleiter-Grenzfläche erfolgreich untersucht. In Fortführung der ersten Förderperiode werden wir Ladungstrennung in Heterostrukturen untersuchen und uns auf Multiexzitonen unter Beachtung des Schaleneffekts konzentrieren. Darüber hinaus wird die QD-intrinsische Ladungstrennungsdynamik von Löchern (Kern) und Elektronen (Schale) durch eine trennende Zwischenschale großer Bandlücke (zwiebelartige QD) manipuliert. Durch Variation der Schalendicke wird die elektronische Kopplung zwischen Kern und Schale modifiziert. Wir haben bereits ein transientes NIR-Absorptionssetup implementiert, erfolgreich kolloidale PbS QD synthetisiert, die besonders für PV-Anwendungen interessant sind, und deren spektroskopische Charakterisierung begonnen. Wir werden die ET-Dynamik von Systemen untersuchen, die PbS-QD und molekulare Akzeptoren enthalten, und dann schnell zur Untersuchung von PbS-QD übergehen, welche direkt auf Metalloxid-Dünnschichten gewachsen werden.Um toxische Elemente der gängigen Halbleiter-QD zu vermeiden, können Metall-QD als Alternative dienen. Wir untersuchen den Oberflächenplasmon-induzierten ET an kolloidalen Cu QD mit molekularen Elektronenakzeptoren. Des Weiteren studieren wir die Photodynamik von Cu, das direkt auf Metalloxidschichten gewachsen ist und den Einfluss der Photonenergie auf den Transfermechanismus in Metall-QD/TiO2 (QD als Elektronendonor oder -akzeptor).Wir weiten unsere Forschung auf QD-basierte Energieübertragungssysteme aus und wollen den Prozess der Zwei-Photonen-Absorption einbeziehen. QD mit großer Bandlücke (ZnSe) sollen als Zwei-Photonen-Absorber fungieren und anschließend die Anregungsenergie übertragen, um eine bestimmte Funktionalität auszulösen. Dieser Prozess könnte den Zwei-Photonen-Querschnitt etablierter Phototrigger verstärken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen