Postsynthetic doping control of nanocrystal thin films: Balancing space charge to improve photovoltaic efficiency

Chemistry of Materials

Volumn 26, Issue 1, 2014, Pages 153-162

  Engel, Jesse H ^a,b   Alivisatos, A Paul ^a,b  

^a LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY   (United States)

^b UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

compensation; doping; nanocrystals; photovoltaics; quantum dots

Indexed keywords

DEFECTS AND IMPURITIES; ELECTROCHEMICAL CHARGING; NANOCRYSTAL THIN FILMS; OPTOELECTRONIC APPLICATIONS; PHOTO-VOLTAIC EFFICIENCY; PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS; PHOTOVOLTAICS; SEMICONDUCTOR NANOCRYSTALS;

COMPENSATION (PERSONNEL); DOPING (ADDITIVES); NANOCOMPOSITE FILMS; NANOCRYSTALS; SEMICONDUCTOR QUANTUM DOTS; THIN FILMS;

SEMICONDUCTOR DOPING;

EID: 84892605914     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm402383r     Document Type: Review

References (113)

1. Ip, A. H.; Thon, S. M.; Hoogland, S.; Voznyy, O.; Zhitomirsky, D.; Debnath, R.; Levina, L.; Rollny, L. R.; Carey, G. H.; Fischer, A.; Kemp, K. W.; Kramer, I. J.; Ning, Z.; Labelle, A. J.; Chou, K. W.; Amassian, A.; Sargent, E. H. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 577-582
2. Kramer, I. J.; Sargent, E. H. ACS Nano 2011, 5, 8506-8514
3. Talapin, D. V; Lee, J.-S.; Kovalenko, M. V; Shevchenko, E. V Chem. Rev. 2010, 110, 389-458
4. Wang, Z.; Schliehe, C.; Bian, K.; Dale, D.; Bassett, W. A.; Hanrath, T.; Klinke, C.; Weller, H. Nano Lett. 2013, 13, 1303-1311
5. Law, M.; Beard, M. C.; Choi, S.; Luther, J. M.; Hanna, M. C.; Nozik, A. J. Nano Lett. 2008, 8, 3904-3910
6. Ma, W.; Swisher, S. L.; Ewers, T.; Engel, J.; Ferry, V. E.; Atwater, H. A.; Alivisatos, A. P. ACS Nano 2011, 5, 8140-8147
7. Moreels, I.; Lambert, K.; Smeets, D.; De Muynck, D.; Nollet, T.; Martins, J. C.; Vanhaecke, F.; Vantomme, A.; Delerue, C.; Allan, G.; Hens, Z. ACS Nano 2009, 3, 3023-3030
8. Geiregat, P.; Justo, Y.; Abe, S.; Flamee, S.; Hens, Z. ACS Nano 2013, 7, 987-993
9. Alivisatos, A. P. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13226-13239
10. Moreels, I.; Allan, G.; De Geyter, B.; Wirtz, L.; Delerue, C.; Hens, Z. Phys. Rev. B 2010, 81 235319
11. Wolcott, A.; Doyeux, V.; Nelson, C. A.; Gearba, R.; Lei, K. W.; Yager, K. G.; Dolocan, A. D.; Williams, K.; Nguyen, D.; Zhu, X.-Y. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 795-800
12. Steckel, J. S.; Yen, B. K. H.; Oertel, D. C.; Bawendi, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13032-13033
13. Peng, X.; Manna, L.; Yang, W.; Wickham, J.; Scher, E.; Kadavanich, A.; Alivisatos, A. Nature 2000, 404, 59-61
14. Luther, J. M.; Law, M.; Song, Q.; Perkins, C. L.; Beard, M. C.; Nozik, A. J. ACS Nano 2008, 2, 271-280
15. Koh, W.-K.; Saudari, S. R.; Fafarman, A. T.; Kagan, C. R.; Murray, C. B. Nano Lett. 2011, 11, 4764-4767
16. Talapin, D. V; Murray, C. B. Science 2005, 310, 86-9
17. Jeong, K. S.; Tang, J.; Liu, H.; Kim, J.; Schaefer, A. W.; Kemp, K.; Levina, L.; Wang, X.; Hoogland, S.; Debnath, R.; Brzozowski, L.; Sargent, E. H.; Asbury, J. B. ACS Nano 2012, 6, 89-99
18. Liu, Y.; Tolentino, J.; Gibbs, M.; Ihly, R.; Perkins, C. L.; Liu, Y.; Crawford, N.; Hemminger, J. C.; Law, M. Nano Lett. 2013, 13, 1578-1587
19. Tang, J.; Kemp, K. W.; Hoogland, S.; Jeong, K. S.; Liu, H.; Levina, L.; Furukawa, M.; Wang, X.; Debnath, R.; Cha, D.; Chou, K. W.; Fischer, A.; Amassian, A.; Asbury, J. B.; Sargent, E. H. Nat. Mater. 2011, 10, 765-771
20. Stauffer, D.; Aharony, A. Introduction to Percolation Theory; 2 nd ed.; Taylor & Francis: London, 2003.
21. Shirasaki, Y.; Supran, G. J.; Bawendi, M. G.; Bulović, V. Nat. Photonics 2012, 7, 13-23
22. McDonald, S. A.; Konstantatos, G.; Zhang, S.; Cyr, P. W.; Klem, E. J. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Nat. Mater. 2005, 4, 138-142
23. Tang, J.; Sargent, E. H. Adv. Mater. 2011, 23, 12-29
24. Norris, D. J.; Efros, A. L.; Erwin, S. C. Science 2008, 319, 1776-9
25. Beaulac, R.; Ochsenbein, S. T.; Gamelin, D. R. In Nanocrystal Quantum Dots; Klimov, V. I., Ed.; Taylor & Francis: New York, NY, 2010.
26. Buonsanti, R.; Milliron, D. J. Chem. Mater. 2013, 25, 1305-1317
27. Pradhan, N.; Sarma, D. D. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 2818-2826
28. Jana, S.; Srivastava, B. B.; Jana, S.; Bose, R.; Pradhan, N. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2535-2540
29. Sze, S. M.; Ng, K. K. Physics of Semiconductor Devices, 3 rd ed.; John Wiley & Sons Inc.: Hoboken, NJ, 2007.
30. Dalpian, G.; Chelikowsky, J. Phys. Rev. Lett. 2006, 96 226802
31. Bruchez, M., Jr.; Morrone, M.; Gin, P.; Weiss, S.; Alivisatos, P. Science 1998, 281, 2013-2016
32. Moreels, I.; Fritzinger, B.; Martins, J. C.; Hens, Z. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15081-15086
33. Moreels, I.; Lambert, K.; De Muynck, D.; Vanhaecke, F.; Poelman, D.; Martins, J. C.; Allan, G.; Hens, Z. Chem. Mater. 2007, 19, 6101-6106
34. Morris-Cohen, A. J.; Frederick, M. T.; Lilly, G. D.; McArthur, E. A.; Weiss, E. A. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 1078-1081
35. Smith, D. K.; Luther, J. M.; Semonin, O. E.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. ACS Nano 2011, 5, 183-190
36. Luther, J. M.; Law, M.; Beard, M. C.; Song, Q.; Reese, M. O.; Ellingson, R. J.; Nozik, A. J. Nano Lett. 2008, 8, 3488-3492
37. Bozyigit, D.; Jakob, M.; Yarema, O.; Wood, V. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 2915-2919
38. Lang, D. V. J. Appl. Phys. 1974, 45, 3023
39. Nagpal, P.; Klimov, V. I. Nat. Commun. 2011, 2, 486
40. Barkhouse, A. R.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Levina, L.; Sargent, E. H. ACS Nano 2008, 2, 2356-2362
41. Johnston, K. W.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Clifford, J. P.; Myrskog, S. H.; MacNeil, D. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92 151115
42. Johnston, K. W.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Clifford, J. P.; Myrskog, S. H.; Hoogland, S.; Shukla, H.; Klem, E. J. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92 122111
43. Tang, J.; Brzozowski, L.; Barkhouse, A. R.; Wang, X.; Debnath, R.; Wolowiec, R.; Palmiano, E.; Levina, L.; Pattantyus-Abraham, A. G.; Jamakosmanovic, D.; Sargent, E. H. ACS Nano 2010, 4, 869-878
44. Luther, J. M.; Pietryga, J. M. ACS Nano 2013, 7, 1845-1849
45. Hughes, B. K.; Ruddy, D. A.; Blackburn, J. L.; Smith, D. K.; Bergren, M. R.; Nozik, A. J.; Johnson, J. C.; Beard, M. C. ACS Nano 2012, 6, 5498-1506
46. Kim, D.; Kim, D.-H.; Lee, J.-H.; Grossman, J. C. Phys. Rev. Lett. 2013, 110 196802
47. Gai, Y.; Peng, H.; Li, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21506-21511
48. Wei, H. H.-Y.; Evans, C. M.; Swartz, B. D.; Neukirch, A. J.; Young, J.; Prezhdo, O. V; Krauss, T. D. Nano Lett. 2012, 12, 4465-4471
49. Jasieniak, J.; Mulvaney, P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2841-2848
50. Bae, W. K.; Joo, J.; Padilha, L. A.; Won, J.; Lee, D. C.; Lin, Q.; Koh, W.; Luo, H.; Klimov, V. I.; Pietryga, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20160-20168
51. Zarghami, M. H.; Liu, Y.; Gibbs, M.; Gebremichael, E.; Webster, C.; Law, M. ACS Nano 2010, 4, 2475-2485
52. Leschkies, K. S.; Kang, M. S.; Aydil, E. S.; Norris, D. J. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 9988-9996
53. Konstantatos, G.; Levina, L.; Fischer, A.; Sargent, E. H. Nano Lett. 2008, 8, 1446-1450
54. Klem, E. J. D.; Shukla, H.; Hinds, S.; MacNeil, D. D.; Levina, L.; Sargent, E. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92 212105
55. Wang, R. Y.; Feser, J. P.; Lee, J.-S.; Talapin, D. V; Segalman, R.; Majumdar, A. Nano Lett. 2008, 8, 2283-2288
56. Connelly, N. G.; Geiger, W. E. Chem. Rev. 1996, 96, 877-910
57. Kutana, A.; Erwin, S. C. Phys. Rev. B 2011, 83 235419
58. Beard, M. C.; Midgett, A. G.; Law, M.; Semonin, O. E.; Ellingson, R. J.; Nozik, A. J. Nano Lett. 2009, 9, 836-845
59. Semonin, O. E.; Luther, J. M.; Choi, S.; Chen, H.-Y.; Gao, J.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. Science 2011, 334, 1530-1533
60. Wheeler, L. M.; Neale, N. R.; Chen, T.; Kortshagen, U. R. Nat. Commun. 2013, 4, 2197
61. Van Meirhaeghe, R. L.; Cardon, F.; Gomes, W. P. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1985, 188, 287-291
62. Lewerenz, H. J. J. Electroanal. Chem. 1993, 356, 121-143
63. Bard, A. J.; Bocarsly, A. B.; Fan, F. R. F.; Walton, E. G.; Wrighton, M. S. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 3671-3677
64. Park, C. H.; Zhang, S. B.; Wei, S.-H. Phys. Rev. B 2002, 66 073202
65. Zunger, A. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 57
66. Zhang, X.; Zhang, L. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 18198-18206
67. Voznyy, O.; Thon, S. M.; Ip, A. H.; Sargent, E. H. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 987-992
68. Osedach, T. P.; Zhao, N.; Andrew, T. L.; Brown, P. R.; Wanger, D. D.; Strasfeld, D. B.; Chang, L.-Y.; Bawendi, M. G.; Bulović, V. ACS Nano 2012, 6, 3121-3127
69. Deane, S.; Wehrspohn, R.; Powell, M. Phys. Rev. B 1998, 58, 12625-12628
70. Nelson, C. A.; Zhu, X.-Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7592-7595
71. Moroz, P.; Kholmicheva, N.; Mellott, B.; Liyanage, G.; Rijal, U.; Bastola, E.; Huband, K.; Khon, E.; McBride, K.; Zamkov, M. ACS Nano 2013, 7, 6964-6977
72. Zhitomirsky, D.; Kramer, I. J.; Labelle, A. J.; Fischer, A.; Debnath, R.; Pan, J.; Bakr, O. M.; Sargent, E. H. Nano Lett. 2012, 12, 1007-1012
73. Voznyy, O. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 15927-15932
74. Oh, S. J.; Berry, N. E.; Choi, J.-H.; Gaulding, E. A.; Paik, T.; Hong, S.-H.; Murray, C. B.; Kagan, C. R. ACS Nano 2013, 7, 2413-2421
75. Zhitomirsky, D.; Furukawa, M.; Tang, J.; Stadler, P.; Hoogland, S.; Voznyy, O.; Liu, H.; Sargent, E. H. Adv. Mater. 2012, 24, 6181-6185
76. Ning, Z.; Zhitomirsky, D.; Adinolfi, V.; Sutherland, B.; Xu, J.; Voznyy, O.; Maraghechi, P.; Lan, X.; Hoogland, S.; Ren, Y.; Sargent, E. H. Adv. Mater. 2013, 25, 1719-1723
77. Voznyy, O.; Zhitomirsky, D.; Stadler, P.; Ning, Z.; Hoogland, S.; Sargent, E. H. ACS Nano 2012, 6, 8448-8455
78. Tang, J.; Liu, H.; Zhitomirsky, D.; Hoogland, S.; Wang, X.; Furukawa, M.; Levina, L.; Sargent, E. H. Nano Lett. 2012, 12, 4889-4894
79. Liu, H.; Zhitomirsky, D.; Hoogland, S.; Tang, J.; Kramer, I. J.; Ning, Z.; Sargent, E. H. Appl. Phys. Lett. 2012, 101 151112
80. Erwin, S. C.; Zu, L.; Haftel, M. I.; Efros, A. L.; Kennedy, T. A.; Norris, D. J. Nature 2005, 436, 91-94
81. Buonsanti, R.; Llordes, A.; Aloni, S.; Helms, B. A.; Milliron, D. J. Nano Lett. 2011, 11, 4706-4710
82. Norberg, N. S.; Kittilstved, K. R.; Amonette, J. E.; Kukkadapu, R. K.; Schwartz, D. A.; Gamelin, D. R. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9387-9398
83. Rivest, J. B.; Jain, P. K. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 89-96
84. Mocatta, D.; Cohen, G.; Schattner, J.; Millo, O.; Rabani, E.; Banin, U. Science 2011, 332, 77-81
85. Amit, Y.; Eshet, H.; Faust, A.; Patllola, A.; Rabani, E.; Banin, U.; Frenkel, A. I. J. Phys. Chem. C 2013, 13688-13696
86. Santra, P. K.; Kamat, P. V J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2508-2511
87. Sahu, A.; Kang, M. S.; Kompch, A.; Notthoff, C.; Wills, A. W.; Deng, D.; Winterer, M.; Frisbie, C. D.; Norris, D. J. Nano Lett. 2012, 12, 2587-2594
88. Kang, M. S.; Sahu, A.; Frisbie, C. D.; Norris, D. J. Adv. Mater. 2013, 25, 725-731
89. Nag, A.; Chung, D. S.; Dolzhnikov, D. S.; Dimitrijevic, N. M.; Chattopadhyay, S.; Shibata, T.; Talapin, D. V J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13604-13615
90. Choi, J.-H.; Fafarman, A. T.; Oh, S. J.; Ko, D.-K.; Kim, D. K.; Diroll, B. T.; Muramoto, S.; Gillen, J. G.; Murray, C. B.; Kagan, C. R. Nano Lett. 2012, 12, 2631-2638
91. Rajeshwar, K. Fundamentals of Semiconductor Electrochemistry and Photoelectrochemistry; Bard, A. J.; Licht, S.; Stratmann, M., Eds.; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2001.
92. Guyot-Sionnest, P. Microchim. Acta 2008, 160, 309-314
93. Yu, D.; Wang, C.; Wehrenberg, B.; Guyot-Sionnest, P. Phys. Rev. Lett. 2004, 92 216802
94. Yu, D.; Wang, C.; Guyot-Sionnest, P. Science 2003, 300, 1277-1280
95. Wehrenberg, B. L.; Yu, D.; Ma, J.; Guyot-Sionnest, P. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 20192-20199
96. Liu, H.; Keuleyan, S.; Guyot-Sionnest, P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 1344-1349
97. Shim, M.; Guyot-Sionnest, P. Nature 2000, 407, 981-3
98. Koh, W.-K.; Koposov, A. Y.; Stewart, J. T.; Pal, B. N.; Robel, I.; Pietryga, J. M.; Klimov, V. I. Sci. Rep. 2013, 3, 2004
99. Engel, J. H.; Surendranath, Y.; Alivisatos, A. P. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13200-13203
100. Nelson, J. The Physics of Solar Cells; Imperial College Press: London, 2003.
101. Zhitomirsky, D.; Voznyy, O.; Hoogland, S.; Sargent, E. H. ACS Nano 2013, 7, 5282-5290
102. Kirchartz, T.; Agostinelli, T.; Campoy-Quiles, M.; Gong, W.; Nelson, J. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3470-3475
103. Clifford, J. P.; Johnston, K. W.; Levina, L.; Sargent, E. H. Appl. Phys. Lett. 2007, 91 253117
104. Brown, P. R.; Lunt, R. R.; Zhao, N.; Osedach, T. P.; Wanger, D. D.; Chang, L.-Y.; Bawendi, M. G.; Bulović, V. Nano Lett. 2011, 11, 2955-2961
105. Gao, J.; Perkins, C. L.; Luther, J. M.; Hanna, M. C.; Chen, H.-Y.; Semonin, O. E.; Nozik, A. J.; Ellingson, R. J.; Beard, M. C. Nano Lett. 2011, 11, 3263-3266
106. Gao, J.; Luther, J. M.; Semonin, O. E.; Ellingson, R. J.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. Nano Lett. 2011, 11, 1002-1008
107. Pattantyus-Abraham, A. G.; Kramer, I. J.; Barkhouse, A. R.; Wang, X.; Konstantatos, G.; Debnath, R.; Levina, L.; Raabe, I.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Sargent, E. H. ACS Nano 2010, 4, 3374-3380
108. Luther, J. M.; Gao, J.; Lloyd, M. T.; Semonin, O. E.; Beard, M. C.; Nozik, A. J. Adv. Mater. 2010, 22, 3704-3707
109. Choi, J. J.; Lim, Y.-F.; Santiago-Berrios, M. B.; Oh, M.; Hyun, B.-R.; Sun, L.; Bartnik, A. C.; Goedhart, A.; Malliaras, G. G.; Abruña, H. D.; Wise, F. W.; Hanrath, T. Nano Lett. 2009, 9, 3749-3755
110. Koleilat, G. I.; Wang, X.; Labelle, A. J.; Ip, A. H.; Carey, G. H.; Fischer, A.; Levina, L.; Brzozowski, L.; Sargent, E. H. Nano Lett. 2011, 11, 5173-5178
111. Ehrler, B.; Musselman, K. P.; Böhm, M. L.; Morgenstern, F. S. F.; Vaynzof, Y.; Walker, B. J.; Macmanus-Driscoll, J. L.; Greenham, N. C. ACS Nano 2013, 7, 4210-4220
112. Maraghechi, P.; Labelle, A. J.; Kirmani, A. R.; Lan, X.; Adachi, M. M.; Thon, S. M.; Hoogland, S.; Lee, A.; Ning, Z.; Fischer, A.; Amassian, A.; Sargent, E. H. ACS Nano 2013, 7, 6111-6116
113. Liu, Y.; Gibbs, M.; Perkins, C. L.; Tolentino, J.; Zarghami, M. H.; Bustamante, J.; Law, M. Nano Lett. 2011, 11, 5349-55