Een drietal onderzoekers van de North Dakota State University en de University of South Dakota hebben computermodellering gebruikt om te helpen beslissen welke van de twee concurrerende materialen zijn dag in de zon moet krijgen als de technologie voor het oogsten van energie op nanoschaal van toekomstige zonnepanelen - quantum dots of nanodraden.

Andrei Kryjevski en zijn collega's, Dimitri Kilin en Svetlana Kilina, rapport in AIP Publishing's Tijdschrift voor hernieuwbare en duurzame energie dat ze computationele chemiemodellen gebruikten om de elektronische en optische eigenschappen te voorspellen van drie soorten nanoschaal (miljardste van een meter) siliciumstructuren met een mogelijke toepassing voor het verzamelen van zonne-energie:een kwantumdot, eendimensionale ketens van kwantumstippen en een nanodraad. Het vermogen om licht te absorberen is aanzienlijk verbeterd in nanomaterialen in vergelijking met die in conventionele halfgeleiders. Bepalen welke vorm - quantum dots of nanodraad - dit voordeel maximaliseert, was het doel van het numerieke experiment dat door de drie onderzoekers werd uitgevoerd.

"We gebruikten Density Functional Theory, een computationele benadering waarmee we elektronische en optische eigenschappen kunnen voorspellen die weerspiegelen hoe goed de nanodeeltjes licht kunnen absorberen, en hoe die effectiviteit wordt beïnvloed door de interactie tussen quantum dots en de wanorde in hun structuren, ' zei Kryjevski. 'Deze kant op, kunnen we voorspellen hoe kwantumstippen, quantum dot chains en nanodraden zullen zich in het echte leven gedragen nog voordat ze zijn gesynthetiseerd en hun werkingseigenschappen experimenteel zijn gecontroleerd."

De simulaties gemaakt door Kryjevski, Kilin en Kilina gaven aan dat de lichtabsorptie door silicium-quantumdot-ketens aanzienlijk toeneemt met verhoogde interacties tussen de individuele nanosferen in de keten. Ze ontdekten ook dat lichtabsorptie door kwantumdot-ketens en nanodraden sterk afhangt van hoe de structuur is uitgelijnd in relatie tot de richting van de fotonen die erop vallen. Eindelijk, de onderzoekers ontdekten dat de atomaire structuurstoornis in de amorfe nanodeeltjes resulteert in een betere lichtabsorptie bij lagere energieën in vergelijking met kristallijne nanomaterialen.

"Op basis van onze bevindingen wij geloven dat het plaatsen van de amorfe kwantumstippen in een array of het samenvoegen ervan in een nanodraad de beste samenstellingen zijn voor het maximaliseren van de efficiëntie van silicium nanomaterialen om licht te absorberen en lading door een fotovoltaïsch systeem te transporteren, " zei Kryjevski. "Echter, onze studie is slechts een eerste stap in een uitgebreid computationeel onderzoek naar de eigenschappen van halfgeleider quantum dot-assemblages.

"De volgende stappen zijn het bouwen van meer realistische modellen, zoals grotere kwantumdots waarvan het oppervlak bedekt is met organische liganden en simuleert de processen die plaatsvinden in echte zonnecellen, " hij voegde toe.