One-pot syntese giver enklere, hurtigere vej til yderst effektive solceller

Forebyggelse af rekombination af gratis ladninger, der produceres, når lys rammer en solcelle, er et af hovedmålene for ingeniører, der forsøger at udtrække den maksimale energieffektivitet fra deres enheder. En måde at opnå dette på er ved at bygge ind i cellen en 'heterojunction' mellem positive (p) og negative (n) type halvledere, som tillader den lysinducerede positive og negative ladning at undslippe cellen ved at bevæge sig i modsatte retninger ved heterojunction-grænsefladen. Mingyong Han ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og kolleger1 har nu opdaget en måde at producere nanoskala heterojunctions af høj kvalitet, sætte scenen for billigere og mere effektive solcelleanordninger.

Nanoskala halvlederkrystaller giver forbedret overfladeareal til lysabsorption og er også billigere at producere end konventionelle litografimønstrede cellestrukturer. Imidlertid, det har været ekstremt svært at danne heterojunctions af høj kvalitet mellem n- og p-type halvledere på en måde, der opnår den intime interkrystalkontakt, der er nødvendig for at forbedre enhedens ydeevne.

At løse dette problem kræver en teknik, der kan binde de to halvledere sammen kemisk. Tidligere undersøgelser har produceret binære nanokrystaller med en sfærisk 'core -shell' -struktur. Desværre, heterojunction baseret på disse nanokrystaller har lav energiomdannelseseffektivitet, fordi lys har svært ved at nå den indre kerne. Han og hans kolleger overvandt dette problem ved at anvende en anden syntesemetode.

Først, forskerne brugte en blanding af overfladeaktive stoffer under varme termiske forhold til at producere kobber (I) sulfid (CuxS), en velkendt p-type halvleder, i markant formede sekskantede diske, der er cirka 40 nanometer brede og 15 nanometer tykke. De veldefinerede facetter af disse nye materialer gjorde det muligt for forskerne at nukleere krystallisationen af ​​n-type cadmiumsulfid (CdS) på krystallernes yderkanter.

Næste, gennem en proces kendt som kationbytte, forskerne overtalte n-type krystaller til at vokse indad, effektivt kemisk konvertering af en del af CuxS -diske til CdS. “Denne metode resulterer i nano-heterostrukturer med samme morfologi som det originale materiale, ”Siger Han. Ved omhyggeligt at optimere reaktionsbetingelserne, forskerne forvandlede den sekskantede nanodisk til en perfekt symmetrisk, side om side heterojunction. Zinkmetaller blev også inkorporeret i grænsefladen for yderligere at finjustere dens elektriske ydeevne.

Han bemærker, at CuxS – CdS -heterostrukturen er lovende for solcelleteknologi på grund af dens dobbelt tilgængelige overflade og en energibåndsopretning, der driver stærk ladningsseparation. Teamet forventer også at syntetisere en lang række nye halvlederpar med denne one-potteknik, udnytter systemets ekstraordinære krystallisationsegenskaber.