Tuning af energiniveauer gennem overfladekemi viser løfte om kvantepriksolceller med højere effektivitet

Solceller lavet af blysulfid kvanteprikker kan i sidste ende tilbyde en billigere, mere fleksibelt alternativ til dem, der er lavet med silicium, men de er i øjeblikket meget mindre effektive. Imidlertid, ændring af den kemiske sammensætning af kvantepunktsolceller giver mulighed for at indstille dem til at opnå højere effektivitet, MIT fysik kandidatstuderende Patrick R. Brown siger.

"I stedet for at starte med en højeffektiv teknologi og derefter prøve at gøre det billigere, hvilket er hvad vi gør nu med silicium, vores plan er at starte med noget, som vi ved, vi kunne lave billigt, og se om vi kunne gøre det mere effektivt, " forklarer Brown.

Blysulfid er rigeligt, forekommer naturligt i mineralet galena, og verden producerer i øjeblikket nok bly og svovl i løbet af et par uger til at bygge blysulfidsolceller til at levere al verdens elektricitet, Brune noter. Andre alternativer til silicium såsom cadmiumtellurid eller kobberindiumgalliumdiselenid (CIGS) har den ulempe at bruge dyrere og mindre rigelige udgangsmaterialer. Blysulfidkvanteprikker har en anden fordel i forhold til andre nye tyndfilmssolcelleteknologier som organiske polymerer og perovskiter, idet de er stabile i luften.

"Jeg fokuserer på at forsøge at finde ud af, hvad det er for knapper, som vi skal dreje på dette materiale, som så vil gøre det muligt for os at opnå højere effektivitet, " siger Brown.

Ligander ændrer energiniveauet

Kvanteprikker er krystallinske halvledere i nanoskala, hvis båndgab ændres med deres størrelse. Båndgabet bestemmer hvilke områder af solspektret - som indeholder ultraviolet, synlig, og infrarødt lys - som kvanteprikkersolcellerne kan absorbere og omdanne til elektricitet. Browns nylige forskningssamarbejde med MIT-professor Vladimir Bulović og fem andre viste, hvordan man vedhæfter forskellige organiske molekyler, eller ligander, til overfladen af ​​kvanteprikker kan ændre deres energiniveau. Brown fremstillede og studerede sine blysulfid-kvanteprikkersolceller i Bulovićs Organic and Nanostructured Electronics Lab.

Når sollys rammer en halvleder i en solcelle, den kan excitere en elektron fra dens tæt bundne grundtilstand i "valensbåndet" til mindre tæt bundne tilstande i "ledningsbåndet, " hvor elektronerne kan bevæge sig frit og generere en elektrisk strøm. Brown undersøgte den indflydelse, som forskellige kemiske ligander har på grundtilstandsenergierne for elektroner i kvanteprikvalensbåndet. Ved hjælp af en teknik kendt som ultraviolet fotoelektronspektroskopi i laboratoriet af MIT-professor Marc A. Baldo, Brown målte de forskellige elektroniske egenskaber af blysulfid-kvanteprikfilm behandlet med 12 forskellige kemiske ligander. Resultaterne viser, at disse overfladeligander fungerer som bittesmå elektriske dipoler - den elektriske ækvivalent til den velkendte stangmagnet — og dermed kan påvirke energien af ​​elektronerne i en kvanteprik.

Vejledende effektivt design

"I vores arbejde vi viser, at når du ændrer overfladeliganderne, du kan lade båndgabet være det samme, men ændre de absolutte energiniveauer, " siger Brown. Evnen til at tune både størrelsen af ​​kvanteprikken og dens overfladekemi kan styre designet af effektive solceller og, til sidst, multi-junction enheder, der absorberer mere af solens spektrum. "Med denne evne til at justere energiniveauerne for kvanteprikkerne ved at ændre liganderne, vi kan sikre, at der ikke er nogen energiske barrierer i vores enhed, og at elektronerne har en energisk vej ned ad bakke ud af enheden, " Brown forklarer. "Evnen til at tune disse egenskaber ved hjælp af så simple kemiske processer er det, der adskiller disse materialer, gør dem til et unikt og lovende valg til brug i solceller, " siger Brown.

Brown og MIT materialevidenskabs kandidatstuderende Donghun Kim var medforfattere af papiret, "Energiniveauændring i blysulfid-kvanteprikkertynde film gennem ligandudveksling, " udgivet i ACS Nano i juni 2014. Andre medforfattere var MIT-professorerne Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, og Moungi G. Bawendi, samt Richard R. Lunt, assisterende professor i kemiteknik og materialevidenskab ved Michigan State University, og Ni Zhao, assisterende professor i elektronisk teknik ved det kinesiske universitet i Hong Kong. Brun, 27, er på sjette år som fysikstuderende og forventer at få sin ph.d. i løbet af 2015. Han modtog sin BS i fysik og kemi ved University of Notre Dame. Brown er National Science Foundation Fellow samt Fannie and John Hertz Foundation Fellow.

Kim brugte computersimuleringer i atom-skala til at modellere de kemiske liganders interaktioner med kvanteprikoverfladen. Disse simuleringer forklarede et nøgleresultat af undersøgelsen, viser, at de forskellige elektriske dipolmomenter af liganderne er ansvarlige for ændringerne i kvantepunktenerginiveauer. "Uanset den måde, en specifik ligand binder til quantum dot overfladen, Donghuns simuleringer viste et skift i energiniveauer, der matchede de skift, vi målte eksperimentelt, " siger Brown.

Imødekomme verdens efterspørgsel

At forsyne en stor del af verdens energiefterspørgsel med solceller, titusindvis af kvadratkilometer solceller skulle installeres, siger Brown. Siliciumbaserede solceller er effektive og bliver billigere, efterhånden som der bliver lavet flere, men deres skøre natur betyder, at de skal være indkapslet af stive, relativt tunge aluminiums- og glasrammer. "Nøgleideen med kvanteprikker er, at i stedet for at tage udgangspunkt i store krystaller af silicium, der skal skæres i enkelte wafere, vi starter med meget små krystaller, omkring 10 nanometer i diameter, som vi kan opløse i opløsning og printe ud som en blæk. Så i stedet for at være bundet til disse stive glasunderlag, vi kunne i sidste ende være i stand til at printe eller sprøjte vores solceller på fleksible underlag, som du ville trykke en avis, " siger Brown. "Det er den slags ting, du ikke ville være i stand til med en siliciumwafer."

Kvanteprikker har deres ulemper, selvfølgelig, Derfor er denne teknologi endnu ikke kommet på markedet. "Elektroner har sværere ved at hoppe mellem kvanteprikker, end de har ved at rejse gennem en ren, ensartet krystal af silicium. Mens de materialer, vi bruger, er meget billige, vanskeligheden ved at flytte ladning gennem dem fører til lav solcelleeffektivitet, " siger Brown. F.eks. elektroner kan blive fanget på overfladerne af kvanteprikker. "En ting, vi ønsker at gøre, er at finde ud af, hvilke slags kemiske tricks vi kan spille på overfladen af ​​kvanteprikken for at slippe af med disse fældetilstande, " han siger.

Det langsigtede mål med forskningen er at bruge de justerbare elektroniske egenskaber til at lave højeffektive blysulfid-kvanteprikkersolceller, der er fleksible og kan fremstilles til lave omkostninger, siger Brown.

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.