Colloidal Nanoparticles for Intermediate Band Solar Cells
Source abstract
Abstract
The Intermediate Band (IB) solar cell concept is a promising idea to transcend the Shockley-Queisser limit. Using the results of first-principles calculations, we propose that colloidal nanoparticles (CNPs) are a viable and efficient platform for the implementation of the IB solar cell concept. We focused on CdSe CNPs and we showed that intragap states present in the isolated CNPs with reconstructed surfaces combine to form an IB in arrays of CNPs, which is well separated from the valence and conduction band edges. We demonstrated that optical transitions to and from the IB are active. We also showed that the IB can be electron doped in a solution, e.g., by decamethylcobaltocene, thus activating an IB-induced absorption process. Our results, together with the recent report of a nearly 10% efficient CNP solar cell, indicate that colloidal nanoparticle intermediate band solar cells are a promising platform to overcome the Shockley-Queisser limit.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Particle Accelerators and Free-Electron Lasers · Laser Design and Applications · Advanced X-ray Imaging Techniques
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Department of Physics, University of California, Davis, California 95616, United States
Institute for Molecular Engineering, University of Chicago, Chicago, Illinois 60637, United States
Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois 60439, United States
Funding
Division of Materials Research · Basic Energy Sciences
References (97)
Show source-provided references
1. Shockley W. · J. Appl. Phys. · 1961 · 32 · 51010.1063/1.1736034 ↗
2. Green M. · 2006
3. Nozik A. J. · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2001 · 52 · 19310.1146/annurev.physchem.52.1.193 ↗
4. Luque A. · Phys. Rev. Lett. · 1997 · 78 · 501410.1103/PhysRevLett.78.5014 ↗
5. Wolf M. · Proc. IRE · 1960 · 48 · 124610.1109/JRPROC.1960.287647 ↗
6. Keevers M. J. · J. Appl. Phys. · 1994 · 75 · 402210.1063/1.356025 ↗
7. Nozik A. J. · Physica E · 2002 · 14 · 11510.1016/S1386-9477(02)00374-0 ↗
8. Hanna M. C. · J. Appl. Phys. · 2006 · 100 · 07451010.1063/1.2356795 ↗
9. Bremner S. P. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 17111010.1063/1.2907493 ↗
10. Semonin O. E. · Science · 2011 · 334 · 153010.1126/science.1209845 ↗
11. Zhai G. · Nanotechnology · 2012 · 23 · 40540110.1088/0957-4484/23/40/405401 ↗
12. Klimov V. I. · Annu. Rev. Condens. Matter Phys. · 2014 · 5 · 28510.1146/annurev-conmatphys-031113-133900 ↗
13. Beard M. C. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 125210.1021/ar3001958 ↗
14. Shabaev A. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 124210.1021/ar300283j ↗
15. Padilha L. A. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 126110.1021/ar300228x ↗
16. Jaeger H. M. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 128010.1021/ar3002365 ↗
17. Vörös M. · Phys. Rev. B · 2013 · 87 · 15540210.1103/PhysRevB.87.155402 ↗
18. Wippermann S. · Phys. Rev. Lett. · 2013 · 110 · 04680410.1103/PhysRevLett.110.046804 ↗
19. Vörös M. · J. Mater. Chem. A · 2014 · 2 · 982010.1039/c4ta01543f ↗
20. Govoni M. · Nat. Photonics · 2012 · 6 · 67210.1038/nphoton.2012.206 ↗
21. Martí A. · Conf. Rec. IEEE Photovoltaic Spec. Conf. · 2000 · 940
22. Martí A. · Thin Solid Films · 2006 · 511 · 63810.1016/j.tsf.2005.12.122 ↗
23. Martí A. · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 97 · 24770110.1103/PhysRevLett.97.247701 ↗
24. Hubbard S. M. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 12351210.1063/1.2903699 ↗
25. Laghumavarapu R. B. · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 90 · 17312510.1063/1.2734492 ↗
26. Wang W. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 01110310.1063/1.3166863 ↗
27. Ertekin E. · Phys. Rev. Lett. · 2012 · 108 · 02640110.1103/PhysRevLett.108.026401 ↗
28. Sullivan J. T. · J. Appl. Phys. · 2013 · 114 · 10370110.1063/1.4820454 ↗
29. Cirloganu C. M. · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 414810.1038/ncomms5148 ↗
30. Santra P. K. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 250810.1021/ja211224s ↗
31. Liu Y. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 196010.1021/nl101284k ↗
32. Murray C. B. · Annu. Rev. Mater. Sci. · 2000 · 30 · 54510.1146/annurev.matsci.30.1.545 ↗
33. Zaitseva N. · J. Am. Chem. Soc. · 2005 · 127 · 1022110.1021/ja051069f ↗
34. Puzder A. · Phys. Rev. Lett. · 2004 · 92 · 21740110.1103/PhysRevLett.92.217401 ↗
35. Koh W.-k. · Sci. Rep. · 2013 · 3 · 200410.1038/srep02004 ↗
36. Connelly N. G. · Chem. Rev. · 1996 · 96 · 87710.1021/cr940053x ↗
37. Rinehart J. D. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1878210.1021/ja410825c ↗
38. Chuang C.-H. M. · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 79610.1038/nmat3984 ↗
39. Labelle A. J. · Nano Lett. · 2015 · 15 · 110110.1021/nl504086v ↗
40. Mendes M. J. · Nanotechnology · 2013 · 24 · 34540210.1088/0957-4484/24/34/345402 ↗
41. Wippermann S. · Phys. Rev. Lett. · 2014 · 112 · 10680110.1103/PhysRevLett.112.106801 ↗
42. Mendes M. J. · Appl. Phys. Lett. · 2009 · 95 · 07110510.1063/1.3205470 ↗
43. Jasieniak J. · J. Phys. Chem. C · 2009 · 113 · 1946810.1021/jp906827m ↗
44. Jasieniak J. · ACS Nano · 2011 · 5 · 588810.1021/nn201681s ↗
45. Kilina S. V. · ACS Nano · 2009 · 3 · 9310.1021/nn800674n ↗
46. Wang L.-W. · Phys. Rev. B · 1996 · 53 · 957910.1103/PhysRevB.53.9579 ↗
47. Delerue C. · Phys. Rev. Lett. · 2000 · 84 · 245710.1103/PhysRevLett.84.2457 ↗
48. Williamson A. J. · Phys. Rev. Lett. · 2002 · 89 · 19680310.1103/PhysRevLett.89.196803 ↗
49. Puzder A. · Phys. Rev. Lett. · 2002 · 88 · 09740110.1103/PhysRevLett.88.097401 ↗
50. Bremner S. P. · Appl. Phys. Lett. · 2008 · 92 · 17111010.1063/1.2907493 ↗
51. Sullivan J. · IEEE J. Photovoltaics · 2015 · 5 · 21210.1109/JPHOTOV.2014.2363560 ↗
52. Strandberg R. · IEEE Trans. Electron Devices · 2011 · 58 · 255910.1109/TED.2011.2155659 ↗
53. Strandberg R. · Prog. Photovoltaics · 2011 · 19 · 2110.1002/pip.983 ↗
54. Engel J. H. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 15310.1021/cm402383r ↗
55. Wehrenberg B. L. · J. Am. Chem. Soc. · 2003 · 125 · 780610.1021/ja035369d ↗
56. Rinehart J. D. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1617510.1021/ja307996b ↗
57. Schimpf A. M. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1656910.1021/ja408030u ↗
58. Engel J. H. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1320010.1021/ja305293e ↗
59. Yu D. · Science · 2003 · 300 · 127710.1126/science.1084424 ↗
60. Shim M. · Nature · 2000 · 407 · 98110.1038/35039577 ↗
61. Wang C. · Science · 2001 · 291 · 239010.1126/science.291.5512.2390 ↗
62. Boehme S. C. · ACS Nano · 2013 · 7 · 250010.1021/nn3058455 ↗
63. Kuznetsov A. E. · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 709410.1021/jp4007747 ↗
64. Zlatar M. · Pure Appl. Chem. · 2009 · 81 · 139710.1351/PAC-CON-08-06-04 ↗
65. Cauletti C. · J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. · 1980 · 19 · 32710.1016/0368-2048(80)80058-2 ↗
66. Ketkov S. Y. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2012 · 51 · 1152710.1002/anie.201205164 ↗
67. Brown P. R. · ACS Nano · 2014 · 8 · 586310.1021/nn500897c ↗
68. Li Y. · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 518810.1021/jp3124583 ↗
69. Yang S. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 38310.1021/nl203669k ↗
70. Bloom B. P. · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 2240110.1021/jp403164w ↗
71. Opalka D. · J. Chem. Phys. · 2014 · 141 · 03450110.1063/1.4887259 ↗
72. O’Regan B. · Nature · 1991 · 353 · 73710.1038/353737a0 ↗
73. Choi J.-H. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 263110.1021/nl301104z ↗
74. Luque A. · Phys. B: Condensed Matter · 2006 · 382 · 32010.1016/j.physb.2006.03.006 ↗
75. Krich J. J. · J. Appl. Phys. · 2012 · 112 · 01370710.1063/1.4732085 ↗
76. Brawand N. P. · Nanoscale · 2015 · 7 · 373710.1039/C4NR06376G ↗
77. Rosen E. L. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 221410.1021/cm404149u ↗
78. Puzder A. · Nano Lett. · 2004 · 4 · 236110.1021/nl0485861 ↗
79. Liu Y. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 157810.1021/nl304753n ↗
80. Lee J.-S. · Nat. Nanotechnol. · 2011 · 6 · 34810.1038/nnano.2011.46 ↗
81. Nagpal P. · Nat. Commun. · 2011 · 2 · 48610.1038/ncomms1492 ↗
82. Murray C. B. · J. Am. Chem. Soc. · 1993 · 115 · 870610.1021/ja00072a025 ↗
83. Peng Z. A. · J. Am. Chem. Soc. · 2001 · 123 · 18310.1021/ja003633m ↗
84. Talapin D. V. · Nano Lett. · 2001 · 1 · 20710.1021/nl0155126 ↗
85. Park Y.-S. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1883410.1021/jp107608b ↗
86. Voznyy O. · ACS Nano · 2012 · 6 · 844810.1021/nn303364d ↗
87. Kim D. · Phys. Rev. Lett. · 2013 · 110 · 19680210.1103/PhysRevLett.110.196802 ↗
88. Margraf J. T. · Langmuir · 2013 · 29 · 1545010.1021/la403633e ↗
89. Li J. J. · J. Am. Chem. Soc. · 2003 · 125 · 1256710.1021/ja0363563 ↗
90. Kramer I. J. · Chem. Rev. · 2014 · 114 · 86310.1021/cr400299t ↗
91. Robel I. · J. Am. Chem. Soc. · 2007 · 129 · 413610.1021/ja070099a ↗
92. Giannozzi P. · J. Phys.: Condens. Matter · 2009 · 21 · 395502
93. Blöchl P. E. · Phys. Rev. B · 1994 · 50 · 1795310.1103/PhysRevB.50.17953 ↗
94. Kresse G. · Phys. Rev. B · 1999 · 59 · 175810.1103/PhysRevB.59.1758 ↗
95. Perdew J. P. · Phys. Rev. Lett. · 1996 · 77 · 386510.1103/PhysRevLett.77.3865 ↗
96. Adamo C. · J. Chem. Phys. · 1999 · 110 · 615810.1063/1.478522 ↗
97. Makov G. · Phys. Rev. B · 1995 · 51 · 401410.1103/PhysRevB.51.4014 ↗