Questa illustrazione mostra due punti quantici che assorbono la luce (sfere arancioni/rosse) circondati da un polimero conduttore (struttura "stick-and-ball"). Il restringimento del nucleo del punto quantico migliora il trasferimento di cariche elettriche chiamate "buchi" (h+) dal punto quantico al polimero. I punti quantici con trasferimento di carica potenziato potrebbero trovare applicazione nelle celle solari fotovoltaiche.
(Phys.org) —Punti quantici—piccoli cristalli semiconduttori con diametri misurati in miliardesimi di metro—hanno un enorme potenziale per applicazioni che sfruttano la loro capacità di assorbire o emettere luce e/o cariche elettriche. Gli esempi includono diodi a emissione di luce (LED) dai colori più vivaci, celle solari fotovoltaiche, transistor su nanoscala, e biosensori. Ma poiché queste applicazioni hanno requisiti diversi, a volte opposti, trovare modi per controllare le proprietà ottiche ed elettroniche dei punti è cruciale per il loro successo.
In uno studio appena pubblicato sulla rivista Comunicazioni chimiche , scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Stony Brook University, e la Syracuse University mostrano che il restringimento del nucleo di un punto quantico può aumentare la capacità di un polimero circostante di estrarre le cariche elettriche generate nel punto dall'assorbimento della luce.
"Le celle fotovoltaiche fatte di punti quantici accoppiati con materiali plastici come i polimeri conduttivi sono molto più facili da realizzare e meno costose delle celle solari convenzionali a base di silicio, " disse Mircea Cotlet, un chimico fisico presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Questi tipi di materiali sono poco costosi, facile da sintetizzare, e il loro assemblaggio sarebbe relativamente facile."
Il rovescio della medaglia è che, proprio adesso, i dispositivi solari basati sul silicio sono imbattibili in termini di efficienza. Ma la ricerca volta a comprendere il processo fotovoltaico su scala nanometrica potrebbe cambiare le cose.
"La capacità di creare e studiare singole particelle al CFN ci consente di osservare e testare proprietà che sarebbero sfocate, o mediato, in campioni più grandi, " disse Huidong Zang, un ricercatore post-dottorato che lavora con Cotlet e primo autore del documento.
In una cella solare, il materiale ideale assorbirebbe molta luce e convertirebbe efficacemente quell'energia in cariche elettriche che possono essere facilmente estratte come corrente. Per studiare i dettagli di questo processo, gli scienziati hanno utilizzato punti quantici composti da un nucleo di cadmio-selenio che assorbe la luce racchiuso in un guscio protettivo di solfuro di zinco e circondato da un polimero conduttivo. Hanno testato la capacità del polimero di estrarre le cariche elettriche generate quando i punti quantici hanno assorbito la luce, e ha condotto esperimenti utilizzando punti quantici con nuclei di diverse dimensioni.
Mircea Cotlet di CFN (in piedi), post-dottorato Huidong Zang (al centro), e Prahlad Kumar Routh, uno studente laureato nel dipartimento di scienza dei materiali presso la Stony Brook University, spero che la loro ricerca sui punti quantici per le celle solari illuminerà il nostro futuro energetico. Gli scienziati indossano gli occhiali di protezione laser necessari per i loro esperimenti.
"Sapevamo dalle previsioni teoriche che la dimensione delle particelle avrebbe dovuto avere un effetto sul trasferimento di carica con il polimero, ma nessuno lo aveva fatto come esperimento fino ad ora, e in particolare a livello di singola particella, " ha detto Colet.
Quando hanno variato la dimensione del nucleo del punto quantico, gli scienziati hanno scoperto che più piccolo è il diametro, tanto più efficiente e coerente è il processo di trasferimento degli addebiti.
"Utilizzando un nucleo più piccolo, abbiamo aumentato l'efficienza del processo di trasferimento di carica e ristretto la distribuzione della velocità di trasferimento di carica in modo che fosse più vicino all'ideale con meno variabilità, " ha detto Zang.
Gli scienziati stavano esplorando un particolare tipo di trasferimento di carica creato dal movimento di "buchi", aree di carica positiva create dall'assenza di elettroni con carica negativa. Nei dispositivi elettronici, i fori possono essere incanalati proprio come gli elettroni per creare corrente elettrica. E in questo caso l'estrazione di buchi ha avuto un ulteriore vantaggio:ha aumentato il tempo in cui i punti quantici, che si accendono e si spengono lampeggiando, rimasto nella condizione "on".
"Il trasferimento del foro inibisce il lampeggiamento, " Ha detto Cotlet. "Mantiene il punto quantico otticamente attivo più a lungo, che è meglio per il processo fotovoltaico, perché le cariche possono essere estratte solo quando il punto quantico è attivo."
"Sarebbe impossibile vedere questo effetto con campioni di massa perché non è possibile vedere gli stati 'on' e 'off'. Quando molti punti quantici vengono mescolati insieme, i segnali vengono mediati. Puoi vederlo solo guardando le singole nanoparticelle".
Il gruppo di Cotlet aveva precedentemente condotto uno studio simile accoppiando punti quantici con buckyball ricchi di carbonio. In quello studio, hanno trovato l'effetto opposto:i Buckyball hanno diminuito il tempo "acceso" dei punti, migliorando il trasferimento di elettroni.
In altre applicazioni che combinano punti e polimeri, come LED o biosensori, gli scienziati stanno cercando modi per sopprimere il trasferimento di carica poiché questo processo diventa dannoso.
"Conoscere questi fondamenti e come controllare questi processi su scala nanometrica dovrebbe aiutarci a ottimizzare l'uso dei punti quantici per un'ampia gamma di applicazioni, " ha detto Colet.
