Charge carrier dynamics in colloidal quantum dots: Tracking the dance of electrons and holes by ultrashort laser pulses

Abstract

Quantum dots (QDs) are semiconductor nanocrystals with quantum

confinement. This thesis uses various time-resolved spectroscopic

techniques to study ultrafast charge carrier dynamics in colloidal CdSe quantum dots that are important both from a theoretical point of view and for their relevance for solar cell applications. Using 2D electronic spectroscopy, we follow charge carrier relaxation and trapping, demonstrating the power and relevance of this technique to QDs. The 2D spectroscopy and other ultrafast techniques allow us to distinguish between trap states with different characteristics with respect to energy level, lifetime and localization. We characterize energy transfer in films of QDs of different sizes, using ultrafast experiments and a detailed theoretical description of the film and QD geometry. Electron and hole transfer is affected by trapping, by the shell in core–shell structures, and by charging of the QD during injection of several excited electrons. Finally, we study the formation and decay of multiple excitons in QDs. Together, the techniques reveal a rich picture of processes and show how these can be controlled for more efficient solar cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vad händer när en halvledarkristall blir väldigt liten? Ett halvledarmaterials optiska och elektriska egenskaper hänger ihop med hur partiklarna som bär elektrisk laddning, elektroner och hål, uppför sig. (En elektron är en negativt laddad partikel. Ett hål kan beskrivas som en positivt laddad bubbla i ett hav av elektroner, och precis som med bubblor är det ibland enklare att titta på hålen än på allt runtomkring dem.) En tillräckligt stor halvledarkristall är praktiskt taget oändligt stor för laddningsbärarna, men när kristallen blir så liten att den hindrar laddningsbärarnas rörelse påverkas också deras beteende, som om de har drabbats av klaustrofobi. Till exempel förändras halvledarens förmåga att ta upp, absorbera, ljus beroende på kristallens storlek. Detta fenomen kan beskrivas med hjälp av kvantmekanik, och kristaller som är små nog att stänga in laddningsbärare kallas därför kvantprickar.



Ett välundersökt material för kvantprickar är kadmiumselenid. Kvantprickar av kadmiumselenid är några nanometer (nano- betyder miljarddels) stora, och består av hundratals till tusentals atomer. De är bland annat lätta att framställa uppslammade i lösning, så kallade kolloidala kvantprickar. Det går också att ha ett annat material, till exempel zinksulfid, som ett skal runt kadmiumseleniden, vilket ger en så kallad kärn–skalkvantprick. För att kvantprickarna ska vara lösliga i olika lösningsmedel eller gå att fästa på ett underlag täcks de med molekyler, så kallade täckmedel, till exempel fettsyran oljesyra.



Solceller är ofta gjorda av halvledare som absorberar ljus, och därför är det lätt att fråga sig om kvantprickar kan vara användbara i solceller, eftersom man kan styra hur de absorberar ljus. Det visar sig också att kvantprickar har flera andra egenskaper som kan göra solceller effektivare. I den här avhandlingen har vi studerat några sådana egenskaper och hur de påverkar processer i kvantprickar.



Många intressanta processer i kvantprickar sker väldigt snabbt, på en tidsskala från nanosekunder till femtosekunder (miljondels nanosekunder). För att kunna studera dem har vi därför använt korta laserpulser, som gör att vi kan följa vad som händer efter att kvantprickarna absorberat ljus. Vi kan till exempel följa deras absorptionsförmåga (transient absorption) eller hur de sänder ut ljus igen (tidsupplöst fluorescens). En särskilt avancerad metod som vi har använt är 2D-spektroskopi, som kallas så för att den ger hög upplösning i två dimensioner, både vilken ljusenergi som kvantpricken tar upp från början och vilka olika energier som den sedan absorberar.



När kvantprickar tar upp ljus kan en elektron ta upp energin i ljuset och lämna ett hål efter sig. Tillsammans kallas elektron–hålparet en exciton. Likt en nyuppblåst såpbubbla ändrar excitonen på sig, relaxerar, tills den hittat sin lägsta energi, som

den sedan behåller tills såpbubblan spricker eller elektronen och hålet återförenas. Vi har följt relaxeringen med 2D-spektroskopi och sett detaljer som inte tidigare har kunnat ses.



Medan de relaxerar kan elektronen och hålet i en exciton fastna i så kallade fällor, som är tillstånd som de sedan har svårt att komma loss ifrån. Fällor uppstår vid oregelbundenheter i kristallen, till exempel vid täckmedelsmolekylerna på ytan. Vi har tittat på olika sorters fällor med både 2D-spektroskopi och andra metoder.



För att kvantprickar ska kunna användas i solceller måste elektronen och hålet skiljas åt, genom att en av dem överförs till ett annat material, injiceras. Det kan också vara praktiskt att överföra hela excitonen från kvantprick till kvantprick. Vi har följt dessa överföringsprocesser och hur de påverkas av kvantprickarnas egenskaper och andra processer.



En egenskap hos kvantprickar som kan vara nyttig i solceller är deras förmåga att under vissa omständigheter omvandla en absorberad foton (ljuspartikel) till två eller fler excitoner. För att lära oss mer om denna process har vi imiterat den genom att belysa kvantprickarna med så starkt ljus att en kvantprick kan hinna absorbera flera fotoner från en laserpuls. Sedan har vi följt vad som händer med excitonerna när de relaxerar eller när en elektron injiceras.



Sammantaget visar det sig att kvantprickar har många egenskaper som är intressanta i sig, men också är möjliga att styra för att förbättra deras användbarhet i solceller. Förhoppningsvis kan detta leda till billiga och effektiva solceller som bidrar till att lösa världens energiproblem.

• author: Lenngren, Nils
• supervisor: Tönu Pullerits; Donatas Zigmantas; Karel Zidek
• opponent: Scholes, Gregory, Princeton University
• organization: Chemical Physics; Pullerits-lup-obsolete (research group); NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Chemistry
• keywords: CdSe, quantum dots, ultrafast spectroscopy, charge carrier dynamics
• pages: 204 pages
• defense location: Hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2015-11-06 10:15:00
• ISBN: 978-91-7422-411-5
• ISBN: 978-91-7422-413-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Physics (S) (011001060)
• id: e395fd28-fe3c-4175-b821-5c6cfaf04dbb (old id 8053346)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:21:08
• date last changed: 2020-09-16 14:53:34