Adsorption of cadmium selenide clusters: A novel approach to enhance solar energy conversion using armchair graphene nanoribbons

Bài báo thuộc danh mục ISI, Q3 do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn – Giảng viên Vật lý- khoa Khoa học cơ bản- Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội; TS. Nguyễn Trúc Anh; ThS. Nguyễn Võ Anh Duy; TS. Nguyễn Trường Long- Đại học Cần Thơ; GS.TS. Đinh Văn An- Trường Đại học Osaka, Nhật Bản; GS.TS. Peter Schall- Đại học Amsterdam- Hà Lan đăng trên tạp chí AIP Advances, tập 14 số 3 trang 012006 do nhà xuất bản AIP Publishing xuất bản online ngày 12 tháng 3 năm 2024.

Trong bài báo, nhóm tác giả đã nghiên cứu và chỉ ra sự hấp phụ các chấm lượng tử CdSe có vai trò tăng cường đáng kể đặc tính dẫn điện cũng như hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của các tấm pin làm bằng dải graphene dạng cấu trúc ghế bành. Khi hấp phụ chấm lượng tử CdSe dạng que, các chấm lượng tử này thích nằm ở vị trí đỉnh của nguyên tử C của graphene. Sự hấp phụ của chấm lượng tử CdSe dạng que làm độ rộng vùng cấm của dải graphene dạng ghế bành giảm đi 5 lần do sự hình thành của chuẩn hạt polaron ứng với orbital loại p của Selelium. Khi hấp phụ chấm lượng tử CdSe dạng vòng lục giác, độ rộng vùng cấm của graphene ghế bành chỉ giảm 0.121 eV so với thanh graphene ghế bành không hấp phụ. Sự hình thành các vùng tích tụ điện tích do hấp phụ CdSe làm hình thành các bẫy quang, tăng cường hiệu suất hấp phụ năng lượng mặt trời của thanh graphene ghế bành. Nó làm cho quang phổ hấp phụ của dải graphene mở rộng mạnh về vùng ánh sáng đỏ và vùng hồng ngoại. Nhóm tác giả đã đánh giá các kết quả thu được bằng kết hợp cả tính toán bằng dùng gần đúng Tamm–Dancoff và phương trình Bethe–Salpeter đưa ra các kết quả tính toán về tính toán phù hợp tốt với thực nghiệm. Ngoài ra, trong bài báo còn chỉ ra sự chuyển điện tích từ các chấm lượng tử CdSe tới graphene làm tăng mật độ dòng đi qua dải graphene do độ dẫn điện của graphene tăng khi hấp phụ. Những kết quả thu được trong bài báo chỉ ra vai trò của hấp phụ chấm lượng tử cadmium selenide trong việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng của các thiết bị pin mặt trời thế hệ mới.

Abstract: Tailoring the electronic, optical, and transport properties of low-dimensional semiconductor materials is essential to improve the light-conversion efficiency of thin-film solar cell materials. Here, using first-principles calculations and non-equilibrium Green functions, we investigate the enhancement of optoelectronic and transport properties of armchair graphene nanoribbons (AGNRs) upon adsorption of cadmium selenide clusters. Upon adsorption of a CdSe diatomic molecule on an AGNR, the most energetically favorable configuration is the cadmium end sitting on top of a carbon atom. The corresponding electronic bandgap reduces ∼5 times with respect to that of the pristine system, thanks to the formation of a polaron state formed by the p-orbital of the selenide atom. Upon adsorption of CdSe cyclohexane molecules, the bandgap of this system slightly shrinks by 0.121 eV with respect to the pristine system. The charge accumulation induced by these clusters significantly enhances the absorption coefficient of the adsorbed systems, resulting in a red shift of the optical spectra toward the infrared region. More interestingly, by solving the Bethe–Salpeter equations with the Tamm–Dancoff approximation, we provide a direct link between the first-principles optical prediction and experimental observations. In addition, the electron transfer from these molecules to the hosted systems increases the transmission spectra in the vicinity of the Fermi level, leading to a remarkable electronic current passing through these scattering regions. These results highlight the role of cadmium selenide clusters in enhancing the light-to-energy conversion efficiency of next-generation solar cell devices.

Keyword: First-principle calculations, Transport properties, Solar energy conversion, Energy conversion efficiencies, Nanomaterials, Nanoribbons, Optical absorption, Bethe-Salpeter equation

Toàn văn bài báo xem tại: https://doi.org/10.1063/5.0187458

Một vài hình vẽ trong bài báo