Het voorkomen van de recombinatie van vrije ladingen die worden geproduceerd wanneer licht op een zonnecel valt, is een van de belangrijkste doelen van ingenieurs die proberen de maximale energieconversie-efficiëntie uit hun apparaten te halen. Een manier om dit te bereiken is door in de cel een 'heterojunctie' in te bouwen tussen positieve (p) en negatieve (n) type halfgeleiders, waardoor de door licht geïnduceerde positieve en negatieve lading de cel kan ontsnappen door in tegengestelde richtingen te bewegen op de heterojunctie-interface. Mingyong Han van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's1 hebben nu een manier ontdekt om hoogwaardige heterojuncties op nanoschaal te produceren, de weg vrijmaken voor goedkopere en efficiëntere fotovoltaïsche apparaten.

Halfgeleiderkristallen op nanoschaal bieden een verbeterd oppervlak voor lichtabsorptie en zijn ook goedkoper te produceren dan conventionele celstructuren met lithografiepatroon. Echter, het was buitengewoon moeilijk om heterojuncties van hoge kwaliteit te vormen tussen n- en p-type halfgeleiders op een manier die het intieme interkristalcontact bereikt dat nodig is om de prestaties van het apparaat te verbeteren.

Het oplossen van dit probleem vereist een techniek die de twee halfgeleiders chemisch aan elkaar kan binden. Eerdere studies hebben binaire nanokristallen geproduceerd met een bolvormige 'kern-schil'-structuur. Helaas, heterojunctie op basis van deze nanokristallen heeft een lage energieconversie-efficiëntie omdat licht moeilijk de binnenste kern kan bereiken. Han en zijn medewerkers hebben dit probleem overwonnen door een andere route voor synthese te kiezen.

Eerst, de onderzoekers gebruikten een mengsel van oppervlakteactieve stoffen onder hete thermische omstandigheden om koper (I) sulfide (CuxS) te produceren, een bekende p-type halfgeleider, in opvallend gevormde zeshoekige schijven van ongeveer 40 nanometer breed en 15 nanometer dik. De goed gedefinieerde facetten van deze nieuwe materialen stelden de onderzoekers in staat om de kristallisatie van n-type cadmiumsulfide (CdS) op de buitenranden van de kristallen te kiemen.

Volgende, via een proces dat bekend staat als kationenuitwisseling, de onderzoekers overtuigden de n-type kristallen om naar binnen te groeien, het effectief chemisch omzetten van een deel van de CuxS-schijven in CdS. “Deze methode resulteert in nano-heterostructuren met dezelfde morfologie als het oorspronkelijke materiaal, ’, zegt Han. Door de reactieomstandigheden zorgvuldig te optimaliseren, de onderzoekers transformeerden de zeshoekige nanoschijf in een perfect symmetrische, heterojunctie naast elkaar. Zinkmetalen werden ook in de interface verwerkt om de elektrische prestaties verder te verbeteren.

Han merkt op dat de CuxS-CdS-heterostructuur veelbelovend is voor zonneceltechnologie vanwege het tweevoudig toegankelijke oppervlak en een uitlijning van de energieband die een sterke ladingsscheiding stimuleert. Het team verwacht ook een breed scala aan nieuwe halfgeleiderparen te synthetiseren met deze éénpotstechniek, profiteren van de buitengewone kristallisatie-eigenschappen van het systeem.