Ricercatori dell'Università di Toronto, la King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) e la Pennsylvania State University (Penn State) hanno creato la cella solare più efficiente mai realizzata basata su collodial-quatum-dots (CQD). La scoperta è riportata nell'ultimo numero di Materiali della natura .

I punti quantici sono semiconduttori su nanoscala che catturano la luce e la convertono in una fonte di energia. A causa della loro piccola scala, i punti possono essere spruzzati su superfici flessibili, comprese le plastiche. Ciò consente la produzione di celle solari meno costose da produrre e più durevoli rispetto alla più diffusa versione a base di silicio. Nel lavoro evidenziato dal Materiali della natura documento intitolato "Fotovoltaico a punti quantici collodiale utilizzando la passivazione del ligando atomico, "I ricercatori dimostrano come gli involucri che incapsulano i punti quantici possano essere ridotti a un semplice strato di atomi.

"Abbiamo scoperto come ridurre i materiali passivanti alla dimensione più piccola immaginabile, " afferma il professor Ted Sargent, autore corrispondente sul lavoro e titolare della Canada Research Chair in Nanotechnology presso la U of T.

Una sfida cruciale per il settore è stata trovare un equilibrio tra praticità e prestazioni. Il design ideale è quello che racchiude strettamente i punti quantici insieme. Maggiore è la distanza tra i punti quantici, minore è l'efficienza.

Tuttavia, i punti quantici sono solitamente ricoperti da molecole organiche che aggiungono uno o due nanometri. Quando si lavora su scala nanometrica, quello è ingombrante. Eppure le molecole organiche sono state un ingrediente importante nella creazione di un colloide, che è una sostanza che si disperde in un'altra sostanza. Ciò consente di dipingere i punti quantici su altre superfici.

Per risolvere il problema, i ricercatori si sono rivolti a ligandi inorganici, che legano insieme i punti quantici utilizzando meno spazio. Il risultato sono le stesse caratteristiche colloidali ma senza le ingombranti molecole organiche.

"Abbiamo avvolto un singolo strato di atomi attorno a ciascuna particella. Di conseguenza, hanno impacchettato i punti quantici in un solido molto denso, " spiega il dottor Jiang Tang, il primo autore dell'articolo che ha condotto la ricerca mentre era borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Edward S. Rogers presso l'Università di T.

Il team ha mostrato le correnti elettriche più elevate, e la massima efficienza complessiva di conversione della potenza, mai visto nelle celle solari CQD. I risultati delle prestazioni sono stati certificati da un laboratorio esterno, Newport, accreditato dal National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti.

"Il team ha dimostrato che siamo stati in grado di rimuovere le trappole di carica, i punti in cui gli elettroni rimangono bloccati, pur continuando a impacchettare i punti quantici strettamente insieme, "dice il professor John Asbury di Penn State, coautore dell'opera.

La combinazione dell'impaccamento ravvicinato e dell'eliminazione della trappola di carica ha consentito agli elettroni di muoversi rapidamente e senza intoppi attraverso le celle solari, fornendo così un'efficienza record.

"Questa scoperta dimostra il potere dei ligandi inorganici nella costruzione di dispositivi pratici, " afferma il professor Dmitri Talapin dell'Università di Chicago, che è un leader di ricerca nel campo. "Questa nuova chimica di superficie fornisce il percorso verso celle solari a punti quantici efficienti e stabili. Dovrebbe anche avere un impatto su altri dispositivi elettronici e optoelettronici che utilizzano nanocristalli colloidali. I vantaggi dell'approccio completamente inorganico includono un trasporto elettronico notevolmente migliorato e un percorso verso stabilità a termine".

"In KAUST siamo stati in grado di visualizzare, con una risoluzione incredibile sulla scala delle lunghezze sub-nanometrica, la struttura e la composizione di questa straordinaria nuova classe di materiali, " afferma il professor Aram Amassian di KAUST, coautore dell'opera.

"Abbiamo dimostrato che i passivanti inorganici erano strettamente correlati con la posizione dei punti quantici; e che era questo nuovo approccio alla passivazione chimica, piuttosto che l'ordinamento dei nanocristalli, che ha portato a questo record di prestazioni delle celle solari colloidali a punti quantici, " Aggiunge.

Come risultato del potenziale di questa scoperta della ricerca, un accordo di licenza tecnologica è stato firmato da U of T e KAUST, mediato da MaRS Innovations (MI), che consentirà la commercializzazione globale di questa nuova tecnologia.

"Il mondo - e il mercato - hanno bisogno di innovazioni solari che rompano il compromesso esistente tra prestazioni e costi. Attraverso U of T's, MI, e la partnership di KAUST, siamo pronti a tradurre la ricerca entusiasmante in innovazioni tangibili che possono essere commercializzate, "disse Sargent.