Fotoinduzierte Elektronentransfer von Halbleiter-Quantenpunkten zu Metalloxid-Nanopartikeln

Quantumdot-Metalloxid-Junctions sind ein integraler Bestandteil der Solarzellen der nächsten Generation, der Leuchtdioden und der nanostrukturierten elektronischen Anordnungen. Hier präsentieren wir eine umfassende Untersuchung des Elektronentransfers an diesen Junctions, unter Verwendung einer Reihe von CdSe-Quantumdot-Donoren (Größen 2,8, 3,3, 4,0 und 4,2 nm im Durchmesser) und Metalloxid-Nanopartikel-Akzeptoren (SnO(2), TiO(2) und ZnO). Die scheinbaren Elektronentransferratenkonstanten zeigten eine starke Abhängigkeit von der Änderung der freien Energie des Systems, wobei ein schneller Anstieg bei kleinen Antriebskräften gefolgt von einem moderaten Anstieg weiter entfernt von der charakteristischen Umorganisationsenergie zu beobachten war. Der beobachtete Trend ähnelt dem vorhergesagten Verhalten des Elektronentransfers von einem einzelnen Quantenzustand zu einem Kontinuum von elektronischen Akzeptorzuständen, wie sie im Leitungsband eines Metalloxid-Nanopartikels vorhanden sind. Im Gegensatz zu den Studien zum Elektronentransfer bei Farbstoff-sensibilisierten Metalloxiden zeigten unsere Systeme keine unthermalisierte heiße Elektroneneinspritzung aufgrund relativ großer Verhältnisse von Elektronenkühlrate zur Elektronentransferrate. Um die Implikationen dieser Erkenntnisse in photovoltaischen Zellen zu untersuchen, wurden Quantumdot-Metalloxid-Arbeitselektroden in identischer Weise wie die Filme hergestellt, die für den Elektronentransfer-Teil der Studie verwendet wurden. Interessanterweise waren die Filme, die die schnellsten Elektronentransferraten aufwiesen (SnO(2)), nicht dieselben wie die, die den höchsten Photostrom zeigten (TiO(2)). Diese Ergebnisse legen nahe, dass neben dem Elektronentransfer an der Quantumdot-Metalloxid-Grenzfläche andere Elektronentransferreaktionen entscheidende Rollen bei der Bestimmung der Gesamteffizienz des Geräts spielen.