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Masaru Kuno
Author with expertise in Applications of Quantum Dots in Nanotechnology
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Quantum Dot Solar Cells. Tuning Photoresponse through Size and Shape Control of CdSe−TiO2 Architecture

Anusorn Kongkanand et al.Mar 1, 2008
Different-sized CdSe quantum dots have been assembled on TiO2 films composed of particle and nanotube morphologies using a bifunctional linker molecule. Upon band-gap excitation, CdSe quantum dots inject electrons into TiO2 nanoparticles and nanotubes, thus enabling the generation of photocurrent in a photoelectrochemical solar cell. The results presented in this study highlight two major findings: (i) ability to tune the photoelectrochemical response and photoconversion efficiency via size control of CdSe quantum dots and (ii) improvement in the photoconversion efficiency by facilitating the charge transport through TiO2 nanotube architecture. The maximum IPCE (photon-to-charge carrier generation efficiency) obtained with 3 nm diameter CdSe nanoparticles was 35% for particulate TiO2 and 45% for tubular TiO2 morphology. The maximum IPCE observed at the excitonic band increases with decreasing particle size, whereas the shift in the conduction band to more negative potentials increases the driving force and favors fast electron injection. The maximum power-conversion efficiency ≤1% obtained with CdSe−TiO2 nanotube film highlights the usefulness of tubular morphology in facilitating charge transport in nanostructure-based solar cells. Ways to further improve power-conversion efficiency and maximize light-harvesting capability through the construction of a rainbow solar cell are discussed.
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Band-edge exciton in quantum dots of semiconductors with a degenerate valence band: Dark and bright exciton states

Al. Éfros et al.Aug 15, 1996
We present a theoretical analysis of the band-edge exciton structure in nanometer-size crystallites of direct semiconductors with a cubic lattice structure or a hexagonal lattice structure which can be described within the framework of a quasicubic model. The lowest energy exciton, eightfold degenerate in spherically symmetric dots, is split into five levels by the crystal shape asymmetry, the intrinsic crystal field (in hexagonal lattice structures), and the electron-hole exchange interaction. Transition oscillator strengths and the size dependence of the splittings have been calculated. Two of the five states, including the ground state, are optically passive (dark excitons). The oscillator strengths of the other three levels (bright excitons) depend strongly on crystal size, shape, and energy band parameters. The relative ordering of the energy levels is also heavily influenced by these parameters. The distance between the first optically active state and the optically forbidden ground exciton state increases with decreasing size, leading to an increase of the Stokes shift in the luminescence. Our results are in good agreement with the size dependence of Stokes shifts obtained in fluorescence line narrowing and photoluminescence experiments in CdSe nanocrystals. Mixing of the dark and bright excitons in an external magnetic field allows the direct optical recombination of the dark exciton ground state. The observed shortening of the luminescence decay time in CdSe nanoncrystals in a magnetic field is also in excellent agreement with the theory, giving further support to the validity of our model. \textcopyright{} 1996 The American Physical Society.
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The band edge luminescence of surface modified CdSe nanocrystallites: Probing the luminescing state

Masaru Kuno et al.Jun 15, 1997
We study the luminescence of surface modified CdSe nanocrystallites. There has been much speculation as to the origin of the band edge emission in these quantum confined structures. Because of their large surface to volume ratios it has been suggested that the emission originates from surface-related states. However, recent theory suggests that the band edge luminescence arises from an optically inactive fine structure state or “dark” exciton. To address this issue we modify the surface of CdSe nanocrystallites with a variety of organic and inorganic ligands. We then monitor the effect changing the surface has on the energetics of the band edge luminescence through photoluminescence and fluorescence line narrowing experiments. Our results are compared with theoretical predictions for the nonresonant and resonant luminescence. We find good agreement between experiment and theory for CdSe nanocrystallites passivated with trioctylphosphine oxide, ZnS, 4-picoline, 4-(trifluoromethyl)thiophenol, and tris(2-ethylhexyl)phosphate. The lack of dependence of our data on surface modification is consistent with a dark exciton description of the band edge luminescence.
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