Fabrication and characterization in ultrafast and steady state of thin films of highly doped semiconductor nanoparticles

In the attempt of extending solar energy harvesting in the IR spectrum, the development of highly doped semiconductors nanostructures exhibiting plasmonic effects has recently brought new advantages. So far, the most studied and commonly used plasmonic nanostructures have surely been Au and Ag nanospheres due to simple production techniques. Noble metals such as Ag, Au or Cu have the peculiar ability of absorbing and scattering light at visible and UV wavelengths, combined with a good chemical and physical stability. These properties have been exploited by people for centuries when metal nanospheres were used for fabricating colored glass. Still, the use of noble metals for photovoltaic applications has many unsolved drawbacks. Precious metals such as Au and Ag are expensive even in bulk shapes. Therefore, the use of such materials on the large scale would not be economically viable. A physical limitation of these nano-objects stands in the complexity of tuning the frequency at which the phenomena of absorption and scattering by the metal nanoparticles can occur. This, in turn, resulted in a limited usage of plasmonic materials in self standing photovoltaic applications. In these fields, highly doped semiconductors experiencing plasmonic properties paved the way for the development of cheaper and promising alternatives. These materials introduce the possibility of modifying the width and position of the absorption spectra by adjusting dopant concentrations and the particles’ shape and size. In the present work, the possibility of exploiting hot electrons generation and transfer for harvesting energy in the IR spectrum will be analysed. Following some theoreti cal considerations about the main issues and challenges of the process, active layers for a solar cell will be fabricated using nanocrystals of Indium Tin Oxide (ITO), a well-known highly doped semiconductor. The devices will be made following different procedures and their optical and electrical properties will be characterized by using steady state and ultrafast analysis. Finally, an algorithm for the removal of coherent artifacts will be developed and explained in detail. This will allow for the extraction of useful information from weak dynamics mostly hidden in unwanted signals that manifest during pump-probe measurements. Some of the results obtained with the implemented algorithm will be presented.

Nel tentativo di estendere la raccolta di energia solare nello spettro IR, lo sviluppo di nanostrutture di semiconduttori altamente drogati che esibiscono fenomeni plasmonici ha di recente portato nuovi vantaggi. Finora, le nanostrutture plasmoniche più studiate e comunemente utilizzate sono state sicuramente le nanosfere di Au e Ag per via della semplicità delle tecniche di produzione. I metalli nobili come Ag, Au o Cu hanno la peculiare capacità di assorbire e diffondere la luce alle lunghezze d’onda nel visibile e nell’ultravioletto e presentano una buona stabilità sia chimica che fisica. Queste proprietà sono state sfruttate per secoli, da quando le nanosfere metalliche venivano utilizzate per fabbricare il vetro colorato delle cattedrali. Tuttavia, l’uso di metalli nobili per applicazioni fotovoltaiche presenta molti inconvenienti irrisolti. I metalli preziosi come Au e Ag sono costosi anche in forma sfusa. Pertanto, l’uso di tali materiali su larga scala non sarebbe economicamente sostenibile. Una limitazione fisica di questi nano-oggetti sta nella complessità di regolare la frequenza alla quale possono verificarsi efficienti fenomeni di assorbimento e diffusione da parte delle nanoparticelle metalliche. Ciò, a sua volta, ha portato a un utilizzo limitato di materiali plasmonici in applicazioni fotovoltaiche autonome. In questi campi, i semiconduttori altamente drogati con proprietà plasmoniche hanno aperto la strada allo sviluppo di alternative più economiche e promettenti. Questi materiali introducono la possibilità di modificare la larghezza e la posizione degli spettri di assorbimento regolando le concentrazioni di drogante e la forma e le dimensioni delle particelle. Nel presente lavoro verrà analizzata la possibilità di sfruttare la generazione e il trasferimento di elettroni caldi per la produzione di energia nello spettro IR. In seguito ad alcune considerazioni teoriche sulle principali problematiche e sfide del processo, verrà fabbricato lo strato attivo di una cella solare e verrà eseguita una caratterizzazione stazionaria e ultraveloce delle sue proprietà. Infine, verrà introdotto e spiegato in dettaglio un metodo per la rimozione di artefatti coerenti manifestatisi durante le misure di pump-probe. Verranno dunque presentati alcuni risultati dell’algoritmo implementato.