Il nanofilo di silicio amorfo (rete gialla) facilita la raccolta dell'energia solare sotto forma di fotone (linea ondulata). Nel processo di assorbimento della luce viene creata una coppia di portatori di carica mobili (le nuvole rosse rappresentano un elettrone spalmato nello spazio, mentre le nuvole blu visualizzano il cosiddetto buco che è un portatore di carica positiva). L'energia del loro moto diretto viene quindi trasformata in elettricità. Le distribuzioni di carica di elettroni e lacune si trovano spesso in diverse regioni dello spazio a causa di molteplici difetti strutturali nei nanofili di silicio amorfo. Credito:A.Kryjevski, S.Kilina e D.Kilin/JRSE
Un trio di ricercatori della North Dakota State University e dell'Università del South Dakota si sono rivolti alla modellazione al computer per aiutare a decidere quale dei due materiali concorrenti dovrebbe avere il suo giorno al sole come tecnologia di raccolta di energia su scala nanometrica dei futuri pannelli solari:punti quantici o nanofili.
Andrei Kryjevski e i suoi colleghi, Dimitri Kilin e Svetlana Kilina, rapporto in AIP Publishing's Journal of Renewable and Sustainable Energy che hanno utilizzato modelli di chimica computazionale per prevedere le proprietà elettroniche e ottiche di tre tipi di strutture di silicio su nanoscala (miliardesimo di metro) con una potenziale applicazione per la raccolta di energia solare:un punto quantico, catene unidimensionali di punti quantici e un nanofilo. La capacità di assorbire la luce è sostanzialmente migliorata nei nanomateriali rispetto a quelli utilizzati nei semiconduttori convenzionali. Determinare quale forma - punti quantici o nanofili - massimizza questo vantaggio era l'obiettivo dell'esperimento numerico condotto dai tre ricercatori.
"Abbiamo usato la teoria del funzionale della densità, un approccio computazionale che ci consente di prevedere proprietà elettroniche e ottiche che riflettono quanto bene le nanoparticelle possono assorbire la luce, e come tale efficacia è influenzata dall'interazione tra i punti quantici e il disordine nelle loro strutture, "Kryjevski ha detto. "In questo modo, possiamo prevedere come i punti quantici, catene di punti quantici e nanofili si comporteranno nella vita reale anche prima di essere sintetizzati e le loro proprietà di funzionamento verificate sperimentalmente".
Le simulazioni fatte da Kryjevski, Kilin e Kilina hanno indicato che l'assorbimento della luce da parte delle catene di punti quantici di silicio aumenta significativamente con l'aumento delle interazioni tra le singole nanosfere nella catena. Hanno anche scoperto che l'assorbimento della luce da parte di catene di punti quantici e nanofili dipende fortemente da come la struttura è allineata in relazione alla direzione dei fotoni che la colpiscono. Finalmente, i ricercatori hanno appreso che il disordine della struttura atomica nelle nanoparticelle amorfe si traduce in un migliore assorbimento della luce a energie inferiori rispetto ai nanomateriali a base cristallina.
"Sulla base dei nostri risultati, crediamo che mettere i punti quantici amorfi in una matrice o unirli in un nanofilo siano i migliori assemblaggi per massimizzare l'efficienza dei nanomateriali di silicio per assorbire la luce e trasportare la carica attraverso un sistema fotovoltaico, "Kryjevski ha detto. "Tuttavia, il nostro studio è solo un primo passo in un'indagine computazionale completa delle proprietà degli assemblaggi di punti quantici di semiconduttori.
"I prossimi passi sono costruire modelli più realistici, come punti quantici più grandi con le loro superfici coperte da ligandi organici e simulano i processi che si verificano nelle celle solari reali, " Ha aggiunto.
