Prevenire la ricombinazione delle cariche libere prodotte quando la luce colpisce una cella solare è uno degli obiettivi principali degli ingegneri che cercano di estrarre la massima efficienza di conversione dell'energia dai loro dispositivi. Un modo per ottenere ciò è costruire nella cellula una "eterogiunzione" tra semiconduttori di tipo positivo (p) e negativo (n), che consente alla carica positiva e negativa indotta dalla luce di fuoriuscire dalla cellula muovendosi in direzioni opposte all'interfaccia dell'eterogiunzione. Mingyong Han dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e collaboratori1 hanno ora scoperto un modo per produrre eterogiunzioni su nanoscala di alta qualità, ponendo le basi per dispositivi fotovoltaici più economici ed efficienti.
I cristalli semiconduttori su nanoscala forniscono un'area superficiale migliorata per l'assorbimento della luce e sono anche più economici da produrre rispetto alle tradizionali strutture cellulari con motivi litografici. Però, è stato estremamente difficile formare eterogiunzioni di alta qualità tra semiconduttori di tipo n e p in modo da ottenere l'intimo contatto intercristallino necessario per migliorare le prestazioni del dispositivo.
La risoluzione di questo problema richiede una tecnica in grado di legare chimicamente i due semiconduttori. Precedenti studi hanno prodotto nanocristalli binari con una struttura sferica "core-shell". Sfortunatamente, l'eterogiunzione basata su questi nanocristalli ha una bassa efficienza di conversione dell'energia perché la luce ha difficoltà a raggiungere il nucleo interno. Han e i suoi collaboratori hanno superato questo problema adottando una strada diversa per la sintesi.
Primo, i ricercatori hanno utilizzato una miscela di tensioattivi in condizioni termiche calde per produrre solfuro di rame(I) (CuxS), un noto semiconduttore di tipo p, in dischi esagonali dalla forma caratteristica di circa 40 nanometri di larghezza e 15 nanometri di spessore. Le sfaccettature ben definite di questi nuovi materiali hanno permesso ai ricercatori di nucleare la cristallizzazione del solfuro di cadmio di tipo n (CdS) sui bordi esterni dei cristalli.
Prossimo, attraverso un processo noto come scambio cationico, i ricercatori hanno convinto i cristalli di tipo n a crescere verso l'interno, convertire chimicamente in modo efficace una parte dei dischi CuxS in CdS. “Questo metodo si traduce in nano-eterostrutture con la stessa morfologia del materiale originale, "dice Han. Ottimizzando accuratamente le condizioni di reazione, i ricercatori hanno trasformato il nanodisco esagonale in un disco perfettamente simmetrico, eterogiunzione affiancata. Anche i metalli di zinco sono stati incorporati nell'interfaccia per ottimizzare ulteriormente le sue prestazioni elettriche.
Han osserva che l'eterostruttura CuxS-CdS è promettente per la tecnologia delle celle solari a causa della sua superficie doppiamente accessibile e di un allineamento della banda di energia che guida una forte separazione di carica. Il team prevede anche di sintetizzare un'ampia gamma di nuove coppie di semiconduttori con questa tecnica one-pot, sfruttando le straordinarie proprietà di cristallizzazione del sistema.
