Un potenziale percorso per identificare le imperfezioni e migliorare la qualità dei nanomateriali da utilizzare nelle celle solari di prossima generazione è emerso da una collaborazione tra l'Università dell'Oregon e ricercatori del settore.

Per aumentare l'efficienza di raccolta della luce delle celle solari oltre il limite del silicio di circa il 29 percento, i produttori hanno utilizzato strati di nanocristalli semiconduttori sintetizzati chimicamente. Le proprietà dei punti quantici prodotti vengono manipolate controllando il processo sintetico e la struttura chimica della superficie.

Questo processo, però, crea imperfezioni negli stati di trappola che formano la superficie che limitano le prestazioni del dispositivo. Fino a poco tempo fa, i miglioramenti nella qualità della produzione si sono basati sul feedback fornito dalle tecniche di caratterizzazione tradizionali che sondano le proprietà medie di un gran numero di punti quantici.

"Vogliamo utilizzare questi materiali in dispositivi reali, ma non sono ancora ottimizzati, " ha detto il coautore Christian F. Gervasi, un dottorando UO.

Nel loro studio, dettagliato nel Journal of Physical Chemistry Letters , i ricercatori hanno studiato gli stati elettronici dei nanocristalli di solfuro di piombo. Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel appositamente progettato, i ricercatori hanno creato mappe su scala atomica della densità degli stati nei singoli nanocristalli. Ciò ha permesso loro di individuare le energie e la localizzazione delle trappole di carica associate a difetti nella struttura superficiale dei nanocristalli che sono dannose per la propagazione degli elettroni.

Il microscopio è stato progettato nel laboratorio del coautore George V. Nazin, docente presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UO. Il suo uso è stato descritto in un precedente articolo sulla stessa rivista, in cui i membri del laboratorio di Nazin sono stati in grado di visualizzare le strutture interne delle onde elettroniche intrappolate da cariche elettrostatiche esterne nei nanotubi di carbonio.

"Questa tecnologia è davvero fantastica, " ha detto Peter Palomaki, scienziato senior per Voxtel Nanophotonics e coautore del nuovo documento. "Quando scavi davvero nella scienza a un livello molto fondamentale, questo problema è sempre stato una domanda aperta. Questo documento è solo la punta dell'iceberg in termini di capacità di capire cosa sta succedendo".

L'intuizione, Egli ha detto, dovrebbe aiutare i produttori a modificare la loro sintesi di nanocristalli utilizzati in una varietà di dispositivi elettronici. Co-autore Thomas Allen, anche uno scienziato senior presso Voxtel, concordato. Il progetto è iniziato dopo che Allen ha sentito Gervasi e Nazin discutere delle capacità del microscopio.

"Volevamo vedere cosa poteva realizzare il microscopio, e si scopre che ci fornisce molte informazioni sugli stati di trappola e le profondità degli stati di trappola nei nostri punti quantici, " disse Allen, che si è unito a Voxtel dopo aver completato il programma di tirocinio industriale presso l'Istituto di scienza dei materiali dell'UO. "Le informazioni ci aiuteranno a mettere a punto la chimica del ligando per realizzare dispositivi migliori per il fotovoltaico, rilevatori e sensori."

Gli stati di trappola visti dal microscopio in questo progetto potrebbero spiegare perché le celle solari a base di nanoparticelle non sono ancora state commercializzate, disse Nazin.

"Le nanoparticelle non sono sempre stabili. È un problema fondamentale. Quando si sintetizza qualcosa su questa scala non si ottiene necessariamente la stessa struttura per tutti i punti quantici. Lavorare su scala atomica può produrre grandi variazioni negli stati elettronici. Il nostro strumento ci consente di vedere direttamente questi stati e ci consente di fornire feedback sui materiali".