I nanocristalli di solfuro di piombo adatti alle celle solari hanno un rapporto quasi uno a uno tra piombo e atomi di zolfo, ma i ricercatori del MIT hanno scoperto che per creare punti quantici di dimensioni uniformi, un rapporto più elevato tra piombo e precursori di zolfo – 24 a 1 – è migliore.

Lo studente laureato in ingegneria chimica del MIT Mark C. Weidman ha sviluppato la ricetta sintetica nel laboratorio di William A. Tisdale, il Professore di sviluppo della carriera di Charles e Hilda Roddey in ingegneria chimica al MIT, con i colleghi Ferry Prins, Rachel S. Hoffman e la studiosa estiva 2013 Megan Beck. L'uniformità delle dimensioni può promuovere lunghe lunghezze di diffusione degli eccitoni nei film di punti quantici di solfuro di piombo (PbS), dice Weidman.

Di solito i punti quantici vengono sintetizzati come colloide, con particelle sospese in un liquido. Se i punti quantici sono tutti della stessa dimensione, possono autoassemblarsi in un reticolo ordinato. "Se sono abbastanza monodispersi, è lo stato termodinamicamente favorito, "Spiega Weidman.

Ha confermato la monodispersione dei suoi film con la microscopia elettronica a trasmissione e a scansione. Weidman si è anche recato alla National Synchrotron Light Source presso il Brookhaven National Laboratory a Long Island, N.Y., per eseguire studi di scattering di raggi X a piccolo angolo di incidenza radente (GISAXS) e di scattering di raggi X ad ampio angolo (WAXS) dei suoi film sottili.

"Mark e Megan sono stati in grado di rendere estremamente monodisperso, monodispersione senza precedenti in questo particolare tipo di nanocristalli, solfuro di piombo, " Dice Tisdale. Weidman ha svelato il meccanismo per le dimensioni e la struttura uniformi.

Weidman, che prevede di terminare il suo dottorato di ricerca al MIT nel 2016, è interessato al solfuro di piombo a causa dei suoi usi per le celle solari. "In qualcosa come un film di solfuro di piombo che viene utilizzato per il fotovoltaico, per celle solari, in tal caso vuoi che i tuoi punti quantici assorbano la luce. Ma poi non vuoi che venga riemesso. Vuoi prendere quell'elettrone e quella lacuna e fondamentalmente tirarli fuori dal film, portarli a un circuito esterno. Così, vuoi massimizzare la diffusione nel tuo film; vuoi che sia molto facile prelevare questa coppia di elettroni e lacune e vuoi una lunga vita di quella coppia di elettroni e lacune in modo da avere molto tempo per girare intorno al film ed essere estratto, "Dice Weidman.

"Speriamo di trovare modi per aumentare meglio l'efficienza delle celle solari aumentando le lunghezze di diffusione nei film di solfuro di piombo, e in questo modo è più facile estrarre i portatori di carica dal film".

La lunghezza di diffusione si riferisce al processo di movimento degli eccitoni (coppie di elettroni e lacune di carica opposta), o "saltellando, " da punto quantico a punto quantico, o da punti quantici a un materiale vicino. Sia la distanza percorsa dagli eccitoni che la loro durata influiscono sulle potenziali applicazioni. Weidman è stato coautore di uno studio collaborativo tra i professori Tisdale, Vladimir Bulovic, e Adam Willard della diffusione nei solidi di punti quantici, che misurava la vita degli eccitoni e modellava le lunghezze di diffusione degli eccitoni. Il compagno di studi A. Jolene Mork ha assistito nella preparazione dei campioni e nelle misurazioni di spettroscopia transitoria.

Per quello studio, Weidman ha eseguito la microscopia elettronica e l'analisi utilizzando strumenti di elaborazione delle immagini e programmazione MATLAB per determinare la separazione, o distanza fisica, tra i punti quantici nel film. I punti quantici del nucleo di seleniuro di cadmio con un guscio di zolfo di cadmio e zinco hanno una distanza media da centro a centro di circa 7,9 nanometri l'uno dall'altro. "Ciò che abbiamo imparato è che vuoi rendere la distanza da centro a centro il più piccola possibile per avere una lunghezza di diffusione più lunga, per massimizzare la lunghezza di diffusione, "Dice Weidman.

I punti quantici sono anche apprezzati per la loro proprietà di cambiare colore quando cambiano dimensione, che è legato al loro cambiamento di bandgap. Per avere un colore uniforme, devi avere una dimensione coerente tra un insieme di punti quantici. La collega del gruppo Tisdale Elizabeth M.Y. (Liza) Lee ha simulato variazioni di dimensione nella pellicola a punti quantici per lo studio, Note di Weidman. "Questo documento mostra praticamente che è possibile controllare quanta diffusione energetica si verifica nei film di punti quantici adattando quanto sono vicini fisicamente, " lui spiega.

"L'altra grande implicazione in questo documento è che da quello che abbiamo visto in alcune delle simulazioni, qualche disordine energetico può essere utile in questi film per far girare la palla sulla diffusione dell'energia. Se hai delle variazioni di taglia e questo ti dà variazioni di energia, poi quando entusiasmi questo film, e ottieni questa popolazione di punti quantici eccitati, allora alcuni di loro sono più energetici di altri, alcuni di loro sono energie inferiori, quindi naturalmente gli eccitoni che si trovano sui punti quantici a energia più alta troveranno il sito a energia più bassa, e questa è la diffusione dell'energia. Quindi un po' di variazione delle dimensioni può aiutare ad accelerare quel processo, " dice Weidman. "Se lo consideri un paesaggio collinare, hai questi eccitoni che sono in cima alla collina, e trovano un modo per rotolare giù in fondo alla collina, considerando che se avessi un film completamente omogeneo e piatto in energia, allora non inizi la diffusione dell'energia con la stessa rapidità."

Weidman è l'autore principale a Chimica dei materiali documento che ha ulteriormente studiato e caratterizzato la formazione di superreticoli di nanocristalli di solfuro di piombo. "Possiamo realizzare superreticoli a lungo raggio in cui non solo i punti quantici sono ordinati, ma anche i loro piani atomici sono allineati, "Spiega Weidman. "Abbiamo anche scoperto che possiamo cambiare le specie di leganti sulla superficie dei nostri punti quantici, un ottimo modo per modificare le proprietà del film, a specie più compatte e funzionali senza disturbare la disposizione del superreticolo." Attualmente sta studiando il trasporto di energia su lunghe distanze in materiali a infrarossi, che potrebbe essere applicabile alle celle solari.

Weidman, un laureato di 26 anni dell'Università del Delaware, è originario di Haddonfield, N.J. Dopo aver completato il dottorato al MIT, ha intenzione di trovare un lavoro nell'industria. "Vorrei continuare a lavorare con i nanomateriali, " dice. "Penso che sia una zona molto eccitante."

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.