Plasmonic doped semiconductor nanocrystals for photovoltaic applications in the infrared

The recent social, economical and political crises (such as the COVID-19 pandemic and the Ukraine invasion by Russian Federation) have sparked and highlighted again the in- terest towards renewable sources of energy, along which solar power plays a fundamental role. Even though the sun is a huge source of energy, only the visible part of its spectrum is actively exploited by photovoltaic devices to produce electric power. As a matter of fact, nearly 45% of solar radiation (Near-Infrared) is lost due to spectral losses of silicon-based solar cells or problems regarding light conversion efficiency. The brand new development of highly doped semiconductor nanostructures, which show plasmonic phenomena, has of- fered new advantages in the effort to increase solar energy harvesting in the IR spectrum. By altering dopant concentrations and the shape/size of the particles, these materials provide the potential to change the width and location of the absorption spectra peaks. In order to harvest the solar radiation in the IR spectrum, the extraction and transfer of hot electrons from plasmonic materials will be discussed. Subsequently, some theoretical aspects regarding the main issues and challenges of the process will be discussed and ac- tive layers to be used in an hypothetical solar cell will be fabricated exploiting Indium tin oxide (ITO) nanocrystals, one of the most commonly employed conducting transparent oxide. The fabrication of the samples will start from a nanodispersion of ITO nanoparti- cles, which will be firstly spincoated on a glass substrate and then air-annealed on a heated plate, at different temperatures and interval of times. The samples optical and electrical properties will be characterized by employing UV-Vis Spectroscopy and the Four-Point Probe method. Finally, the results obtained from both experimental techniques will be presented and discussed.

Le recenti crisi sociali, economiche e politiche (come la pandemia da COVID-19 e l’invasione dell’Ucraina da parte della Federazione Russa) hanno acceso e incrementato l’interesse verso le fonti di energia rinnovabili, tra le quali il solare gioca un ruolo fondamentale. Nonostante il sole sia un’enorme fonte di energia, solo la parte del suo spettro nel visi- bile è attivamente sfruttata dai dispositivi fotovoltaici per produrre energia elettrica. In riguardo a ciò, circa il 45% della radiazione solare (Vicino-Infrarosso) viene sprecata a causa di perdite spettrali delle celle solari a base di silicio e per via di problematiche riguardanti l’efficienza di conversione della luce. Il recentissimo sviluppo di nanostrutture di semiconduttori altamente drogati, che mostrano i fenomeni plasmonici, hanno presen- tato nuovi vantaggi nel tentativo di aumentare la raccolta di energia solare nello spettro dell’infrarosso. Cambiando la concentrazione di specie droganti e la forma/dimensione delle particelle, questi materiali hanno il potenziale per cambiare la larghezza e la posizione dei picchi negli spettri di assorbimento. Per raccogliere l’energia solare nell’infrarosso, l’estrazione e trasferimento di elettroni caldi dai materiali plasmonici verranno discussi. Successivamente, alcuni aspetti teorici riguardanti i principali problemi e sfide del pro- cesso verranno discussi e gli strati attivi da utilizzare in un’ipotetica cella solare verranno fabbricati sfruttando nanocristalli di ossido di indio-stagno (ITO), uno tra i semicondut- tori trasparenti e altamente drogati più impiegati. La fabbricazione dei campioni inizierà a partire da una nanodispersione di particelle di ITO, che sarà prima depositata su un substrato di vetro grazie allo spincoating, per poi essere sottoposta ad un processo di annealing in aria, a diverse temperature e intervalli di tempo. Le proprietà ottiche e elet- triche dei campioni saranno caratterizzate grazie all’impiego della Spettroscopia UV-Vis e al metodo del Four-Point Probe.