Parring af kvantepunkter med fullerener til fotovoltaik i nanoskala

(PhysOrg.com)-I et skridt mod at konstruere stadig mindre elektroniske enheder, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har samlet nanoskala parringer af partikler, der viser løfte som miniaturiserede strømkilder. Sammensat af lysabsorberende, kolloide kvantepunkter forbundet med kulstofbaserede fulleren-nanopartikler, disse bittesmå topartikelsystemer kan omdanne lys til elektricitet på en præcist kontrolleret måde.

"Dette er den første demonstration af en hybrid uorganisk/organisk, dimert (topartikel) materiale, der fungerer som et elektrondonor-bro-acceptorsystem til at konvertere lys til elektrisk strøm, "sagde Brookhaven fysisk kemiker Mircea Cotlet, hovedforfatter til et papir, der beskriver dimerer og deres monteringsmetode i Angewandte Chemie .

Ved at variere længden af ​​linkermolekylerne og størrelsen på kvantepunkterne, forskerne kan kontrollere hastigheden og størrelsen af ​​udsving i lysinduceret elektronoverførsel på niveau med den enkelte dimer. "Denne kontrol gør disse dimerer lovende kraftgenererende enheder til molekylær elektronik eller mere effektive fotovoltaiske solceller, sagde Cotlet, der udførte denne forskning med materialeforsker Zhihua Xu ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials.

Forskere, der søger at udvikle molekylær elektronik, har været meget interesserede i organiske donor-bro-acceptorsystemer, fordi de har en lang række ladningstransportmekanismer, og fordi deres ladningsoverførselsegenskaber kan styres ved at variere deres kemi. For nylig, kvanteprikker er blevet kombineret med elektronacceptable materialer såsom farvestoffer, fulderener, og titaniumoxid til fremstilling af farvestofsensibiliserede og hybride solceller i håb om, at de lysabsorberende og størrelsesafhængige emissionsegenskaber for kvantepunkter ville øge effektiviteten af ​​sådanne enheder. Men indtil videre, effektomregningshastighederne for disse systemer er forblevet ganske lave.

"Bestræbelser på at forstå de involverede processer for at konstruere forbedrede systemer har generelt set på gennemsnitlig adfærd i blandede eller lag-for-lag strukturer frem for individets reaktion, velkontrollerede hybrid donor-acceptor arkitekturer, "sagde Xu.

Den præcisionsfremstillingsmetode, der er udviklet af Brookhaven-forskerne, giver dem mulighed for omhyggeligt at kontrollere partikelstørrelse og mellempartikelafstand, så de kan undersøge betingelser for lysinduceret elektronoverførsel mellem individuelle kvantepunkter og elektronacceptable fullerener på enkeltmolekylniveau.

Hele samleprocessen foregår på en overflade og trinvist for at begrænse interaktionerne mellem komponenterne (partikler), som ellers kunne kombineres på en række måder, hvis de blev samlet ved løsningsbaserede metoder. Denne overfladebaserede samling opnår også kontrolleret, en-til-en nanopartikelparring.

For at identificere det optimale arkitektoniske arrangement for partiklerne, forskerne varierede strategisk størrelsen på kvanteprikkerne - som absorberer og udsender lys ved forskellige frekvenser alt efter deres størrelse - og længden af ​​bromolekylerne, der forbinder nanopartiklerne. For hvert arrangement, de målte elektronoverførselshastigheden ved hjælp af enkeltmolekylspektroskopi.

"Denne metode fjerner ensemble -gennemsnit og afslører et systems heterogenitet - for eksempel svingende elektronoverførselshastigheder - hvilket er noget, konventionelle spektroskopiske metoder ikke altid kan gøre, "Sagde Cotlet.

Forskerne fandt ud af, at reduktion af kvantepunktstørrelse og længden af ​​linkermolekylerne førte til forbedringer i elektronoverførselshastigheden og undertrykkelse af elektronoverførselsudsving.

"Denne undertrykkelse af elektronoverførselsudsving i dimere med mindre kvantumpunktstørrelse fører til en stabil ladningsgenereringshastighed, som kan have en positiv indvirkning på anvendelsen af ​​disse dimerer i molekylær elektronik, herunder potentielt i miniaturevirksomheder og store solceller, "Sagde Cotlet.

"At studere ladningsseparations- og rekombinationsprocesserne i disse forenklede og velkontrollerede dimerstrukturer hjælper os med at forstå de mere komplicerede foton-til-elektron-konverteringsprocesser i solceller i stort område, og til sidst forbedre deres solcelleeffektivitet, "Tilføjede Xu.

En amerikansk patentansøgning afventer metoden og de materialer, der følger af brugen af ​​teknikken, og teknologien er tilgængelig for licensering.