Simuleringer hjælper forskere med at beslutte, hvilken teknologi der ville gøre en bedre solfanger, quantum dot eller nanotråd

En trio af forskere ved North Dakota State University og University of South Dakota har vendt sig til computermodellering for at hjælpe med at beslutte, hvilket af to konkurrerende materialer, der skal få sin dag i solen som nanoskala energihøstteknologi for fremtidige solpaneler – kvanteprikker eller nanotråde.

Andrei Kryjevski og hans kolleger, Dimitri Kilin og Svetlana Kilina, rapport i AIP Publishings Journal of Renewable and Sustainable Energy at de brugte beregningskemiske modeller til at forudsige de elektroniske og optiske egenskaber af tre typer af nanoskala (milliardtedel af en meter) siliciumstrukturer med en potentiel anvendelse til solenergiopsamling:en kvanteprik, endimensionelle kæder af kvanteprikker og en nanotråd. Evnen til at absorbere lys er væsentligt forbedret i nanomaterialer sammenlignet med dem, der anvendes i konventionelle halvledere. At bestemme hvilken form - kvanteprikker eller nanotråd - der maksimerer denne fordel, var målet med det numeriske eksperiment udført af de tre forskere.

"Vi brugte Density Functional Theory, en beregningsmetode, der giver os mulighed for at forudsige elektroniske og optiske egenskaber, der afspejler, hvor godt nanopartiklerne kan absorbere lys, og hvordan denne effektivitet påvirkes af interaktionen mellem kvanteprikker og lidelsen i deres strukturer, " sagde Kryjevski. "På denne måde, vi kan forudsige, hvordan kvanteprikker, kvanteprikkæder og nanotråde vil opføre sig i det virkelige liv, selv før de er syntetiseret og deres arbejdsegenskaber eksperimentelt kontrolleret."

Simuleringerne lavet af Kryjevski, Kilin og Kilina indikerede, at lysabsorption af siliciumkvanteprikkæder øges signifikant med øget interaktion mellem de individuelle nanosfærer i kæden. De fandt også, at lysabsorption af kvantepunktkæder og nanotråde afhænger stærkt af, hvordan strukturen er justeret i forhold til retningen af ​​fotonerne, der rammer den. Endelig, forskerne lærte, at den atomare strukturforstyrrelse i de amorfe nanopartikler resulterer i bedre lysabsorption ved lavere energier sammenlignet med krystallinsk-baserede nanomaterialer.

"Baseret på vores resultater, vi mener, at det at sætte de amorfe kvanteprikker i et array eller fusionere dem til en nanotråd er de bedste samlinger til at maksimere effektiviteten af ​​siliciumnanomaterialer til at absorbere lys og transportere ladning gennem et solcellesystem, " sagde Kryjevski. "Men, vores undersøgelse er kun et første skridt i en omfattende beregningsmæssig undersøgelse af egenskaberne af halvlederkvantepriksamlinger.

"De næste skridt er at bygge mere realistiske modeller, såsom større kvanteprikker med deres overflader dækket af organiske ligander og simulerer de processer, der forekommer i faktiske solceller, " han tilføjede.