Molecular design of transmitters for efficient photon upconversion using semiconductor nanocrystals

• Grant number: 24/01722-4
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Generation Project
• Start date: January 01, 2024
• Status: Discontinued
• Field of knowledge: Physical Sciences and Mathematics - Physics - Condensed Matter Physics
• Principal Investigator: Brener Rodrigo de Carvalho Vale
• Grantee: Brener Rodrigo de Carvalho Vale
• Host Institution: Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brazil
• Associated research grant: 22/06470-8 - Molecular design of transmitters for efficient photon upconversion using semiconductor nanocrystals, AP.GR

Abstract

Processos fotofísicos como fissão de singletos (singlet fission) e aniquilação de tripletos (triplet-triplet annhilation, TTA) podem diminuir as perdas por processos de termalização e transmissão, respectivamente, em dispositivos fotovoltaicos. Para converter fótons de baixa energia em fótons de energia maior, processo chamado de upconversion, de forma incoerente e à baixas intensidades de luz é necessário estocar esta energia na forma de estados excitados moleculares de longa duração. Deste modo, um estado de maior energia poderá ser alcançado por meio de transferência de energia de tripletos (triplet energy transfer, TET), que é o mecanismo de TTA. Semicondutores nanocristalinos coloidais (SNCs) possuem uma pequena separação entre seus estados singletos (bright) e tripletos (dark), de 0 a 10 meV, fazendo com que eles sejam ótimos candidatos para sensibilização de tripletos. Além disso, SNCs são muito úteis por possuir espectros de absorção e emissão dependentes do tamanho, alto rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) e alto coeficiente de absortividade molar. O rendimento quântico de fótons por upconversion via TTA, chamado de TTA-UC, partiu de 0,01% em 2015, e atualmente está em 18%. A fim de alavancar essa eficiência, é necessário um estudo do design molecular dos transmissores, molécula responsável pelo processo de TET. Portanto, este projeto visa desenvolver o design molecular de transmissores ancorados à superfície do nanocristal para se obter altas taxas de aniquilação de tripletos e eficiente produção de fótons por upconversion. O projeto terá quatro ramificações centradas no principal objetivo. A primeira será focada no efeito dos grupos funcionais dos ligantes nativos dos NCs e os diferentes grupos funcionais dos transmissores. Nesta abordagem serão testados duas composições de SNCs, CsPbX3 (X = Cl, Br, and I) e CIS. A segunda será estudado a aromaticidade, a posição do grupo funcional e a denticidade do transmissor. Nesta etapa serão estudados SNCs de morfologia simétrica e assimétricos, e duas composições: CsPbX3 e CdSe. Enquanto a terceira consistirá na montagem de um setup experimetal para medidas de fluorescência resolvida no tempo com resolução temporal (~200 fs) e espectral cobrindo todo o espectro visível. Este setup será de fundamental importância para caracterização do processo de TET. Por fim, estudar o armadilhamento dos portadores de carga em PQs de CIS com diferentes ligantes de superfície e também funcionalizados com moléculas transmissoras pela técnica de espectroscopia ultrarrápida de absorção de raios-X. De forma geral este projeto permitirá o avanço no entendimento da interface orgânica/inorgânica, bem como os processos de transferência de cargas na interface, tornando tecnologias fotovoltaicas mais eficientes. (AU)

Scientific publications

(References retrieved automatically from Web of Science and SciELO through information on FAPESP grants and their corresponding numbers as mentioned in the publications by the authors)

BURGOS-CAMINAL, ANDRES; VALE, BRENER R. C.; FONSECA, ANDRE F. V.; COLLET, ELISA P. P.; HIDALGO, JUAN F.; GARCIA, LAZARO; WATSON, LUKE; BORRELL-GRUEIRO, OLIVIA; CORRALES, MARIA E.; CHOI, TAE-KYU; et al. Selective Tracking of Charge Carrier Dynamics in CuInS₂ Quantum Dots. ACS NANO, v. 19, n. 24, p. 12-pg., 2025-06-12. (18/15574-6, 20/16077-6, 17/11986-5, 23/10395-4, 22/06470-8, 24/01722-4)