We combine CdSe semiconductor nanocrystals (or quantum dots) and single-crystal ZnO nanowires to demonstrate a new type of quantum-dot-sensitized solar cell. An array of ZnO nanowires was grown vertically from a fluorine-doped tin oxide conducting substrate. CdSe quantum dots, capped with mercaptopropionic acid, were attached to the surface of the nanowires. When illuminated with visible light, the excited CdSe quantum dots injected electrons across the quantum dot-nanowire interface. The morphology of the nanowires then provided the photoinjected electrons with a direct electrical pathway to the photoanode. With a liquid electrolyte as the hole transport medium, quantum-dot-sensitized nanowire solar cells exhibited short-circuit currents ranging from 1 to 2 mA/cm2 and open-circuit voltages of 0.5-0.6 V when illuminated with 100 mW/cm2 simulated AM1.5 spectrum. Internal quantum efficiencies as high as 50-60% were also obtained.

Journal of Physics D: Applied Physics published the first Plasma Roadmap in 2012 consisting of the individual perspectives of 16 leading experts in the various sub-fields of low temperature plasma science and technology. The 2017 Plasma Roadmap is the first update of a planned series of periodic updates of the Plasma Roadmap. The continuously growing interdisciplinary nature of the low temperature plasma field and its equally broad range of applications are making it increasingly difficult to identify major challenges that encompass all of the many sub-fields and applications. This intellectual diversity is ultimately a strength of the field. The current state of the art for the 19 sub-fields addressed in this roadmap demonstrates the enviable track record of the low temperature plasma field in the development of plasmas as an enabling technology for a vast range of technologies that underpin our modern society. At the same time, the many important scientific and technological challenges shared in this roadmap show that the path forward is not only scientifically rich but has the potential to make wide and far reaching contributions to many societal challenges.

Light emission from silicon based on quantum confinement in nanoscale structures has sparked intense research into this field ever since its discovery about 15 years ago. A barrier to the widespread utilization of luminescent silicon nanocrystals in such diverse application areas as optoelectronics, solid-state lighting for general illumination, or fluorescent agents for biological applications has been the lack of a simple, high-yield synthesis approach. Here we report a scaleable single-step synthesis process for luminescent silicon nanocrystals based on a low-pressure nonthermal plasma.

Abstract Low-temperature plasma physics and technology are diverse and interdisciplinary fields. The plasma parameters can span many orders of magnitude and applications are found in quite different areas of daily life and industrial production. As a consequence, the trends in research, science and technology are difficult to follow and it is not easy to identify the major challenges of the field and their many sub-fields. Even for experts the road to the future is sometimes lost in the mist. Journal of Physics D: Applied Physics is addressing this need for clarity and thus providing guidance to the field by this special Review article, The 2012 Plasma Roadmap . Although roadmaps are common in the microelectronic industry and other fields of research and development, constructing a roadmap for the field of low-temperature plasmas is perhaps a unique undertaking. Realizing the difficulty of this task for any individual, the plasma section of the Journal of Physics D Board decided to meet the challenge of developing a roadmap through an unusual and novel concept. The roadmap was divided into 16 formalized short subsections each addressing a particular key topic. For each topic a renowned expert in the sub-field was invited to express his/her individual visions on the status, current and future challenges, and to identify advances in science and technology required to meet these challenges. Together these contributions form a detailed snapshot of the current state of the art which clearly shows the lifelines of the field and the challenges ahead. Novel technologies, fresh ideas and concepts, and new applications discussed by our authors demonstrate that the road to the future is wide and far reaching. We hope that this special plasma science and technology roadmap will provide guidance for colleagues, funding agencies and government institutions. If successful in doing so, the roadmap will be periodically updated to continue to help in guiding the field.

Silicon nanocrystals with diameters of less than 5nm show efficient photoluminescence at room temperature. For ensembles of silicon quantum dots, previous reports of photoluminescence quantum yields have usually been in the few percent range, and generally less than 30%. Here we report the plasma synthesis of silicon quantum dots and their subsequent wet-chemical surface passivation with organic ligands under strict exclusion of oxygen. Photoluminescence quantum yields exceeding 60% have been achieved at peak wavelengths of about 789nm.

We are reporting new hybrid solar cells based on blends of silicon nanocrystals (Si NCs) and poly-3(hexylthiophene) (P3HT) polymer in which a percolating network of the nanocrystals acts as the electron-conducting phase. The properties of composite Si NCs/P3HT devices made by spin-coating Si NCs and P3HT from a common solvent were studied as a function of Si NC size and Si NC/P3HT ratio. The open-circuit voltage and short-circuit current are observed to depend on the Si NC size due to changes in the bandgap and surface-area-to-volume ratio. Under simulated one-sun A.M. 1.5 direct illumination (100 mW/cm2), devices made with 35 wt % Si NCs 3−5 nm in size showed 1.15% power conversion efficiency.

The creation of a sustainable energy generation, storage, and distribution infrastructure represents a global grand challenge that requires massive transnational investments in the research and development of energy technologies that will provide the amount of energy needed on a sufficient scale and timeframe with minimal impact on the environment and have limited economic and societal disruption during implementation. In this opinion paper, we focus on an important set of solar, thermal, and electrochemical energy conversion, storage, and conservation technologies specifically related to recent and prospective advances in nanoscale science and technology that offer high potential in addressing the energy challenge. We approach this task from a two-fold perspective: analyzing the fundamental physicochemical principles and engineering aspects of these energy technologies and identifying unique opportunities enabled by nanoscale design of materials, processes, and systems in order to improve performance and reduce costs. Our principal goal is to establish a roadmap for research and development activities in nanoscale science and technology that would significantly advance and accelerate the implementation of renewable energy technologies. In all cases we make specific recommendations for research needs in the near-term (2–5 years), mid-term (5–10 years) and long-term (>10 years), as well as projecting a timeline for maturation of each technological solution. We also identify a number of priority themes in basic energy science that cut across the entire spectrum of energy conversion, storage, and conservation technologies. We anticipate that the conclusions and recommendations herein will be of use not only to the technical community, but also to policy makers and the broader public, occasionally with an admitted emphasis on the US perspective.

We demonstrate highly efficient electroluminescence from silicon nanocrystals (SiNCs). In an optimized nanocrystal-organic light-emitting device, peak external quantum efficiencies of up to 8.6% can be realized with emission originating solely from the SiNCs. The high efficiencies reported here demonstrate for the first time that with an appropriate choice of device architecture it is possible to achieve highly efficient electroluminescence from nanocrystals of an indirect band gap semiconductor.

Building-integrated photovoltaics is gaining consensus as a renewable energy technology for producing electricity at the point of use. Luminescent solar concentrators (LSCs) could extend architectural integration to the urban environment by realizing electrode-less photovoltaic windows. Crucial for large-area LSCs is the suppression of reabsorption losses, which requires emitters with negligible overlap between their absorption and emission spectra. Here, we demonstrate the use of indirect-bandgap semiconductor nanostructures such as highly emissive silicon quantum dots. Silicon is non-toxic, low-cost and ultra-earth-abundant, which avoids the limitations to the industrial scaling of quantum dots composed of low-abundance elements. Suppressed reabsorption and scattering losses lead to nearly ideal LSCs with an optical efficiency of η = 2.85%, matching state-of-the-art semi-transparent LSCs. Monte Carlo simulations indicate that optimized silicon quantum dot LSCs have a clear path to η > 5% for 1 m2 devices. We are finally able to realize flexible LSCs with performances comparable to those of flat concentrators, which opens the way to a new design freedom for building-integrated photovoltaics elements. Reabsorption losses in luminescent solar concentrators can be avoided by the use of indirect-bandgap semiconductor nanostructures. The technology has been used to demonstrate flexible luminescent solar concentrators with performance comparable to flat concentrators.

We report the first experimental observation of a striking convergence of Auger recombination rates in nanocrystals of both direct- (InAs, PbSe, CdSe) and indirect-gap (Ge) semiconductors, which is in contrast to a dramatic difference (by up to 4-5 orders of magnitude) in the Auger decay rates in respective bulk solids. To rationalize this finding, we invoke the effect of confinement-induced mixing between states with different translational momenta, which diminishes the impact of the bulk-semiconductor band structure on multiexciton interactions in nanocrystalline materials.