De laatste jaren is er grote belangstelling voor het gebruik van kleine deeltjes, kwantumdots genaamd, om goedkope, gemakkelijk vervaardigd, stabiele fotovoltaïsche cellen. Maar, tot dusver, de oprichting van dergelijke cellen is beperkt door het feit dat in de praktijk, kwantumstippen zijn niet zo goed in het geleiden van een elektrische lading als in theorie.

Iets in de fysieke structuur van deze cellen lijkt hun elektrische ladingsdragers (bekend als elektronen en gaten) te vangen, maar onderzoekers hebben het moeilijk gehad om erachter te komen wat precies. Nutsvoorzieningen, voor het meest gebruikte type quantum dots, gemaakt van verbindingen die metaalchalcogeniden worden genoemd, onderzoekers van MIT hebben misschien de sleutel gevonden:de beperkende factor lijkt de afwijkende verhoudingen te zijn van de twee basiscomponenten waaruit de stippen bestaan.

De nieuwe bevindingen - door Jeffrey Grossman, de Carl Richard Soderberg universitair hoofddocent energietechniek, afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek Donghun Kim, en twee andere onderzoekers - werden deze maand gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

In bulkhoeveelheden loodsulfide, het materiaal dat is gebruikt voor de kwantumstippen in deze studie, de verhouding (door chemici bekend als "stoichiometrie") van loodatomen tot zwavelatomen is precies 1-op-1. Maar in de minuscule hoeveelheden van het materiaal dat wordt gebruikt om kwantumstippen te maken - die, in dit geval, waren ongeveer 5 nanometer, of miljardsten van een meter, over - deze verhouding kan aanzienlijk variëren, een factor die nog niet eerder in detail was onderzocht. En, vonden de onderzoekers, het blijkt dat deze verhouding de sleutel is tot het bepalen van de elektrische eigenschappen van het materiaal.

Wanneer de stoichiometrie een perfecte 1-op-1 is, de kwantumstippen werken het beste, verstrekken van het exacte halfgeleidergedrag dat de theorie voorspelt. Maar als de verhouding in beide richtingen niet klopt - een beetje meer lood of een beetje meer zwavel - verandert het gedrag dramatisch, waardoor het vermogen van de zonnecel om ladingen te geleiden wordt belemmerd.

Het verzorgen van bungelende banden

Grossman legt uit dat elk atoom in het materiaal aan alle kanten aangrenzende atomen heeft, dus alle potentiële bindingen van dat atoom worden gebruikt, maar sommige oppervlakte-atomen hebben geen buren, zodat hun bindingen kunnen reageren met andere atomen in de omgeving. Deze ontbrekende banden, soms "bungelende banden, " is gedacht dat ze een cruciale rol spelen in de elektronische eigenschappen van een kwantumpunt.

Als resultaat, de consensus in het veld was dat de beste apparaten zullen hebben wat bekend staat als volledige "passivering":de toevoeging van extra moleculen die zich binden aan losse atomaire bindingen op het oppervlak van het materiaal. Het idee was dat het toevoegen van meer van het passiverende materiaal (liganden genaamd) altijd de prestaties zou verbeteren, maar dat werkte niet zoals wetenschappers hadden verwacht:soms verbeterde het de prestaties, maar soms maakte het het erger.

"Dat was de traditionele opvatting die mensen geloofden, " zegt Kim, wie de hoofdauteur van de krant was. Maar nu blijkt dat "hoeveel bungelende bindingen de quantum dot heeft niet altijd belangrijk is, omdat het niet echt de dichtheid van valtoestanden beïnvloedt - tenminste in op lood en zwavel gebaseerde stippen." Dus, als een gegeven punt al een exacte 1-op-1-verhouding heeft, het toevoegen van liganden maakt het erger, zegt Kim.

Het nieuwe onderzoek lost het mysterie op waarom dat zo is:computersimulaties laten zien dat er een optimale hoeveelheid passiveringsmateriaal is, een hoeveelheid die precies genoeg van deze losse bindingen neutraliseert om eventuele discrepantie in de stoichiometrie te compenseren, herstel van een effectieve 1-op-1 balans. Te veel of te weinig passiveringsmateriaal, en de onbalans blijft, of zelfs toeneemt, het verminderen van de efficiëntie van het materiaal.

Groot potentieel voor zonnecellen

Er is "veel opwinding" geweest over het potentieel voor kwantumdots in toepassingen, waaronder elektronische apparaten, verlichting en zonnecellen, zegt Grossman. Naast andere potentiële voordelen, quantum-dot zonnecellen kunnen worden gemaakt in een proces bij lage temperatuur, door materiaal uit een oplossing bij kamertemperatuur te deponeren, in plaats van de hoge temperatuur, energie-intensieve processen die worden gebruikt voor conventionele fotovoltaïsche energie. In aanvulling, dergelijke apparaten kunnen nauwkeurig worden "afgestemd, " om maximale omzetting van specifieke golflengten (kleuren) van licht in energie te verkrijgen, door de grootte en vorm van de deeltjes aan te passen.

Om verder te gaan dan de efficiëntie die tot nu toe is bereikt met quantum-dot-zonnecellen, Grossman zegt, onderzoekers moesten begrijpen waarom de ladingen vast kwamen te zitten in het materiaal. "We hebben iets heel anders gevonden dan wat mensen dachten dat het probleem veroorzaakte, " hij zegt.

"We hopen dat dit onderzoekers zal inspireren om hier op nieuwe manieren naar te kijken, " hij voegt toe.

Uitzoeken hoe deze kennis toe te passen, en hoe kwantumstippen te produceren met goed gecontroleerde elementaire verhoudingen, zal "uitdagend zijn, "Grosman zegt, "maar er zijn een aantal manieren om het oppervlak te beheersen."

De ontdekking kwam als een aangename verrassing, Kim zegt, opmerkend dat de onderzoekers onverwacht de oorsprong van valtoestanden observeerden terwijl ze bestudeerden hoe oppervlaktebehandelingen het materiaal zouden beïnvloeden. Maar nu ze deze sleutelfactor hebben gevonden, hij zegt, ze weten wat hun doel is bij verder onderzoek:"De elektronen zullen blij zijn als de verdeling ... precies goed is, " hij zegt.

Giulia Galli, een professor in natuurkunde en scheikunde aan de Universiteit van Californië in Davis die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat het "een behoorlijk creatief en belangrijk stuk werk is, " en voegt eraan toe, "Ik ben er vrij zeker van dat dit nieuwe experimenten zal stimuleren" om de stoichiometrie van kwantumstippen te ontwikkelen om hun eigenschappen te beheersen.

Het artikel is getiteld "Impact of Stoichiometry on the Electronic Structure of PbS Quantum Dots."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.