Forskerholdet finder, at forholdet mellem komponentatomer er afgørende for ydeevnen

Der har i de senere år været stor interesse for at bruge bittesmå partikler kaldet kvanteprikker til at lave billige, let fremstillet, stabile fotovoltaiske celler. Men, indtil nu, oprettelsen af ​​sådanne celler har været begrænset af det faktum, at i praksis, kvanteprikker er ikke så gode til at lede en elektrisk ladning, som de er i teorien.

Noget i den fysiske struktur af disse celler ser ud til at fange deres elektriske ladningsbærere (kendt som elektroner og huller), men forskere har været hårdt pressede for at finde ud af præcis hvad. Nu, for den mest udbredte type kvanteprikker, lavet af forbindelser kaldet metalchalcogenider, forskere fra MIT kan have fundet nøglen:Den begrænsende faktor synes at være uoverskuelige forhold mellem de to grundlæggende komponenter, der udgør prikkerne.

De nye resultater - af Jeffrey Grossman, Carl Richard Soderberg lektor i Power Engineering, materialevidenskab og ingeniørstuderende Donghun Kim, og to andre forskere - blev rapporteret i denne måned i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

I bulkmængder af blysulfid, det materiale, der blev brugt til kvanteprikkerne i denne undersøgelse, forholdet (kendt af kemikere som "støkiometri") mellem blyatomer og svovlatomer er nøjagtigt 1-til-1. Men i de minimale mængder af det materiale, der bruges til at lave kvanteprikker - som, I dette tilfælde, var omkring 5 nanometer, eller milliardtedele af en meter, på tværs - dette forhold kan variere betydeligt, en faktor, som ikke tidligere var blevet undersøgt i detaljer. Og, fandt forskerne, det viser sig, at dette forhold er nøglen til at bestemme materialets elektriske egenskaber.

Når støkiometrien er en perfekt 1-til-1, kvanteprikkerne fungerer bedst, giver den nøjagtige halvlederadfærd, som teorien forudsiger. Men hvis forholdet er slået fra i begge retninger - lidt mere bly eller lidt mere svovl - ændrer adfærden sig dramatisk, hæmmer solcellens evne til at lede ladninger.

Pas på dinglende bånd

Grossman forklarer, at hvert atom inde i materialet har naboatomer på alle sider, så alle det atoms potentielle bindinger bruges, men nogle overfladeatomer har ikke naboer, så deres bindinger kan reagere med andre atomer i miljøet. Disse manglende obligationer, nogle gange kaldet "dinglende bånd, " er blevet anset for at spille en kritisk rolle i en kvanteprik's elektroniske egenskaber.

Som resultat, konsensus på området har været, at de bedste enheder vil have det, der er kendt som fuld "passivation":tilføjelse af ekstra molekyler, der binder til eventuelle løse atombindinger på materialets overflade. Ideen var, at tilføjelse af mere af det passiverende materiale (kaldet ligander) altid ville forbedre ydeevnen, men det virkede ikke, som forskerne havde forventet:Nogle gange forbedrede det ydeevnen, men nogle gange gjorde det det værre.

"Det var den traditionelle opfattelse, som folk troede, siger Kim, som var avisens hovedforfatter. Men nu viser det sig, at "hvor mange dinglende bindinger kvanteprikken har, ikke altid er vigtig, da det ikke rigtig påvirker tætheden af ​​fældetilstande - i det mindste i bly- og svovlbaserede prikker." Så, hvis en given prik allerede har et nøjagtigt 1-til-1-forhold, tilføjelse af ligander gør det værre, siger Kim.

Den nye forskning løser mysteriet om, hvorfor det er:Computersimuleringer afslører, at der er en optimal mængde passiverende materiale, en mængde, der neutraliserer præcis nok af disse løse bindinger til at opveje enhver uoverensstemmelse i støkiometrien, genoprette en effektiv 1-til-1 balance. For meget eller for lidt passiverende materiale, og ubalancen forbliver, eller endda stiger, reducerer materialets effektivitet.

Stort potentiale for solceller

Der har været "meget begejstring" om potentialet for kvanteprikker i applikationer, herunder elektroniske enheder, belysning og solceller, Siger Grossman. Blandt andre potentielle fordele, kvantepriksolceller kunne fremstilles i en lavtemperaturproces, ved at afsætte materiale fra en opløsning ved stuetemperatur, snarere end den høje temperatur, energikrævende processer, der anvendes til konventionel solcelle. Ud over, sådanne enheder kunne være præcist "tunet, "for at opnå maksimal konvertering af specifikke bølgelængder (farver) af lys til energi, ved at justere størrelsen og formen af ​​partiklerne.

For at gå ud over de effektivitetsgevinster, der hidtil er opnået med kvanteprik-solceller, Grossman siger, forskere havde brug for at forstå, hvorfor ladningerne blev fanget i materialet. "Vi fandt noget helt andet, end hvad folk troede var årsag til problemet, " han siger.

"Vi håber, at dette vil inspirere forsøgspersoner til at se på dette på nye måder, " tilføjer han.

At finde ud af, hvordan man anvender denne viden, og hvordan man producerer kvantepunkter med velkontrollerede elementforhold, vil være "udfordrende, Grossman siger, "men der er en række måder at kontrollere overfladen på."

Opdagelsen kom som en glædelig overraskelse, Kim siger, bemærker, at forskerne uventet observerede oprindelsen af ​​fældetilstande, mens de studerede måden, overfladebehandlinger ville påvirke materialet. Men nu hvor de har fundet denne nøglefaktor, han siger, de ved, hvad deres mål er i yderligere forskning:"Elektronerne vil være glade, når fordelingen ... er helt rigtig, " han siger.

Giulia Galli, en professor i fysik og kemi ved University of California i Davis, som ikke var forbundet med denne forskning, siger, at det er "et ret kreativt og vigtigt stykke arbejde, " og tilføjer, at "Jeg er ret sikker på, at dette vil stimulere nye eksperimenter" for at konstruere støkiometrien af ​​kvanteprikker for at kontrollere deres egenskaber.

Artiklen har titlen "Impact of Stoichiometric on the Electronic Structure of PbS Quantum Dots."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.