C'è stato un grande interesse negli ultimi anni nell'uso di minuscole particelle chiamate punti quantici per produrre a basso costo, facilmente fabbricabile, celle fotovoltaiche stabili. Ma, finora, la creazione di tali celle è stata limitata dal fatto che in pratica, i punti quantici non sono così bravi a condurre una carica elettrica come in teoria.

Qualcosa nella struttura fisica di queste cellule sembra intrappolare i loro portatori di carica elettrica (noti come elettroni e lacune), ma i ricercatori hanno avuto difficoltà a capire esattamente cosa. Ora, per il tipo più diffuso di punti quantici, composto da composti chiamati calcogenuri metallici, i ricercatori del MIT potrebbero aver trovato la chiave:il fattore limitante sembra essere il rapporto irregolare dei due componenti di base che compongono i punti.

Le nuove scoperte—di Jeffrey Grossman, il Professore Associato Carl Richard Soderberg di Ingegneria Energetica, studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria Donghun Kim, e altri due ricercatori—sono stati riportati questo mese sulla rivista Lettere di revisione fisica .

In grandi quantità di solfuro di piombo, il materiale utilizzato per i punti quantici in questo studio, il rapporto (noto dai chimici come "stechiometria") tra gli atomi di piombo e gli atomi di zolfo è esattamente 1 a 1. Ma nelle minuscole quantità di materiale utilizzato per creare punti quantici, che, in questo caso, erano circa 5 nanometri, o miliardesimi di metro, attraverso:questo rapporto può variare in modo significativo, un fattore che non era stato precedentemente studiato in dettaglio. E, i ricercatori hanno scoperto, si scopre che questo rapporto è la chiave per determinare le proprietà elettriche del materiale.

Quando la stechiometria è un perfetto 1 a 1, i punti quantici funzionano meglio, fornendo l'esatto comportamento del semiconduttore previsto dalla teoria. Ma se il rapporto è sbagliato in entrambe le direzioni, un po' più di piombo o un po' più di zolfo, il comportamento cambia drasticamente, impedendo la capacità della cella solare di condurre cariche.

Prendersi cura dei legami penzolanti

Grossman spiega che ogni atomo all'interno del materiale ha atomi vicini su tutti i lati, quindi vengono utilizzati tutti i potenziali legami di quell'atomo, ma alcuni atomi di superficie non hanno vicini, quindi i loro legami possono reagire con altri atomi nell'ambiente. Questi legami mancanti, a volte chiamati "legami penzolanti, " si ritiene che svolgano un ruolo critico nelle proprietà elettroniche di un punto quantico.

Di conseguenza, il consenso nel campo è stato che i migliori dispositivi avranno la cosiddetta "passivazione completa":l'aggiunta di molecole extra che si legano a eventuali legami atomici sciolti sulla superficie del materiale. L'idea era che l'aggiunta di più materiale passivante (chiamato ligandi) avrebbe sempre migliorato le prestazioni, ma non ha funzionato come si aspettavano gli scienziati:a volte ha migliorato le prestazioni, ma a volte ha peggiorato le cose.

"Quella era la visione tradizionale in cui credeva la gente, "dice Kim, chi era l'autore principale del giornale. Ma ora si scopre che "quanti legami penzolanti ha il punto quantico non è sempre importante, in quanto non influisce realmente sulla densità degli stati di trappola, almeno nei punti a base di piombo e zolfo". se un dato punto ha già un rapporto esatto di 1 a 1, l'aggiunta di ligandi peggiora le cose, dice Kim.

La nuova ricerca risolve il mistero del perché:le simulazioni al computer rivelano che esiste una quantità ottimale di materiale passivante, una quantità che neutralizza esattamente quanto basta di questi legami sciolti per controbilanciare qualsiasi discrepanza nella stechiometria, ripristinare un effettivo equilibrio 1 a 1. Troppo o troppo poco materiale passivante, e lo squilibrio rimane, o addirittura aumenta, riducendo l'efficienza del materiale.

Grande potenziale per le celle solari

C'è stata "molta eccitazione" riguardo al potenziale dei punti quantici in applicazioni che includono dispositivi elettronici, illuminazione e celle solari, dice Grossman. Tra gli altri potenziali vantaggi, le celle solari a punti quantici potrebbero essere realizzate in un processo a bassa temperatura, depositando materiale da una soluzione a temperatura ambiente, piuttosto che l'alta temperatura, processi ad alta intensità energetica utilizzati per il fotovoltaico convenzionale. Inoltre, tali dispositivi potrebbero essere precisamente "sintonizzati, "per ottenere la massima conversione di specifiche lunghezze d'onda (colori) della luce in energia, regolando la dimensione e la forma delle particelle.

Per andare oltre le efficienze raggiunte finora con le celle solari a punti quantici, Grossman dice, i ricercatori avevano bisogno di capire perché le cariche fossero rimaste intrappolate nel materiale. "Abbiamo trovato qualcosa di molto diverso da quello che la gente pensava fosse la causa del problema, " lui dice.

"Speriamo che questo possa ispirare gli sperimentatori a guardarlo in modi nuovi, " Aggiunge.

Capire come applicare questa conoscenza, e come produrre punti quantici con rapporti elementari ben controllati, sarà "impegnativo, "Grossman dice, "ma ci sono molti modi per controllare la superficie."

La scoperta è stata una piacevole sorpresa, Kim dice, notando che i ricercatori hanno osservato inaspettatamente l'origine degli stati di trappola mentre stavano studiando il modo in cui i trattamenti superficiali avrebbero influenzato il materiale. Ma ora che hanno trovato questo fattore chiave, lui dice, sanno qual è il loro obiettivo in ulteriori ricerche:"Gli elettroni saranno felici quando la distribuzione ... è giusta, " lui dice.

Giulia Galli, un professore di fisica e chimica all'Università della California a Davis che non era collegato a questa ricerca, dice che è "un lavoro piuttosto creativo e importante, " e aggiunge che, "Sono abbastanza sicuro che questo stimolerà nuovi esperimenti" per ingegnerizzare la stechiometria dei punti quantici al fine di controllarne le proprietà.

Il documento è intitolato "Impatto della stechiometria sulla struttura elettronica dei punti quantici di PbS".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.