Le celle solari realizzate con punti quantici di solfuro di piombo potrebbero alla fine offrire un servizio più economico, alternativa più flessibile a quelle realizzate con il silicio, ma attualmente sono molto meno efficienti. Però, alterare la composizione chimica delle celle solari a punti quantici offre un modo per sintonizzarle per raggiungere efficienze più elevate, Lo dice lo studente laureato in fisica del MIT Patrick R. Brown.

"Invece di iniziare con una tecnologia ad alta efficienza e poi cercare di renderla più economica, che è quello che stiamo facendo ora con il silicio, il nostro piano è iniziare con qualcosa che sappiamo di poter realizzare a buon mercato e vedere se potessimo renderlo più efficiente, "Spiega Brown.

Il solfuro di piombo è abbondante, presente naturalmente nella galena minerale, e il mondo attualmente produce abbastanza piombo e zolfo nell'arco di poche settimane per costruire celle solari al solfuro di piombo per fornire tutta l'elettricità mondiale, Note marroni. Altre alternative al silicio come il tellururo di cadmio o il diseleniuro di rame indio e gallio (CIGS) hanno lo svantaggio di utilizzare materiali di partenza più costosi e meno abbondanti. I punti quantici di solfuro di piombo hanno un altro vantaggio rispetto ad altre tecnologie emergenti di celle solari a film sottile come i polimeri organici e le perovskiti in quanto sono stabili nell'aria.

"Mi sto concentrando sul cercare di capire quali sono le manopole che dobbiamo girare su questo materiale che ci permetterà poi di arrivare ad una maggiore efficienza, "dice Bruno.

I ligandi alterano i livelli di energia

I punti quantici sono semiconduttori cristallini su scala nanometrica il cui bandgap cambia con le loro dimensioni. Il bandgap determina quali regioni dello spettro solare, che contengono ultravioletti, visibile, e luce infrarossa, che le celle solari a punti quantici possono assorbire e convertire in elettricità. La recente ricerca in collaborazione di Brown con il professore del MIT Vladimir Bulović e altri cinque hanno dimostrato come collegare diverse molecole organiche, o ligandi, alla superficie dei punti quantici possono modificare il loro livello di energia. Brown ha fabbricato e studiato le sue celle solari a punti quantici al solfuro di piombo nel laboratorio di elettronica organica e nanostrutturata di Bulovic.

Quando la luce solare colpisce un semiconduttore in una cella solare, può eccitare un elettrone dal suo stato fondamentale strettamente legato nella "banda di valenza" a stati meno strettamente legati nella "banda di conduzione, " dove gli elettroni possono muoversi liberamente e generare una corrente elettrica. Brown ha studiato l'influenza che diversi ligandi chimici hanno sulle energie dello stato fondamentale degli elettroni nella banda di valenza del punto quantico. Utilizzando una tecnica nota come spettroscopia fotoelettronica ultravioletta nel laboratorio di Professore del MIT Marc A. Baldo, Brown ha misurato le diverse proprietà elettroniche dei film di punti quantici di solfuro di piombo trattati con 12 diversi ligandi chimici. I risultati mostrano che questi ligandi di superficie agiscono come minuscoli dipoli elettrici, l'equivalente elettrico del familiare magnete a barra, e quindi possono influenzare l'energia degli elettroni all'interno di un punto quantico.

Guidare un design efficiente

"Nel nostro lavoro, mostriamo che quando si cambiano i ligandi di superficie, puoi lasciare il bandgap lo stesso, ma cambia i livelli energetici assoluti, " Dice Brown. La capacità di regolare sia la dimensione del punto quantico che la sua chimica superficiale può guidare la progettazione di celle solari efficienti e, infine, dispositivi multi-giunzione che assorbono una parte maggiore dello spettro solare. "Con questa capacità di sintonizzare i livelli di energia dei punti quantici cambiando i ligandi, possiamo assicurarci che non ci siano barriere energetiche nel nostro dispositivo e che gli elettroni abbiano un percorso energetico in discesa fuori dal dispositivo, " Spiega Brown. "La capacità di mettere a punto queste proprietà utilizzando processi chimici così semplici è ciò che distingue questi materiali, rendendoli una scelta unica e promettente per l'uso nelle celle solari, "dice Bruno.

Brown e lo studente laureato in scienze dei materiali del MIT Donghun Kim sono stati i co-autori principali del documento, "Modifica del livello energetico nei film sottili di punti quantici di solfuro di piombo attraverso lo scambio di ligandi, " pubblicato su ACS Nano nel giugno 2014. Altri coautori erano i professori del MIT Vladimir Bulovic, Jeffrey C. Grossman, e Moungi G. Bawendi, così come Richard R. Lunt, assistente professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso la Michigan State University, e Ni Zhao, assistente professore di ingegneria elettronica presso l'Università cinese di Hong Kong. Marrone, 27, è al suo sesto anno come studente laureato in fisica e prevede di ottenere il dottorato di ricerca nel 2015. Ha conseguito la laurea in fisica e chimica presso l'Università di Notre Dame. Brown è un membro della National Science Foundation e Fannie and John Hertz Foundation Fellow.

Kim ha utilizzato simulazioni al computer su scala atomica per modellare le interazioni dei ligandi chimici con la superficie dei punti quantici. Queste simulazioni hanno spiegato un risultato chiave dello studio, mostrando che i diversi momenti di dipolo elettrico dei ligandi sono responsabili dei cambiamenti nei livelli di energia dei punti quantici. "Indipendentemente dal modo in cui un ligando specifico si lega alla superficie del punto quantico, Le simulazioni di Donghun hanno mostrato uno spostamento nei livelli di energia che corrispondeva agli spostamenti che stavamo misurando sperimentalmente, "dice Bruno.

Soddisfare la domanda mondiale

Per soddisfare una parte importante della domanda energetica mondiale con il fotovoltaico, dovrebbero essere installate decine di migliaia di chilometri quadrati di celle solari, dice Brown. Le celle solari a base di silicio sono efficienti e diventano più economiche man mano che ne vengono prodotte di più, ma la loro natura fragile significa che devono essere incapsulati da rigidi, telai in alluminio e vetro relativamente pesanti. "L'idea chiave con i punti quantici è che invece di partire da grandi cristalli di silicio che devono essere tagliati in singoli wafer, iniziamo con cristalli molto piccoli, circa 10 nanometri di diametro, che possiamo sciogliere in soluzione e stampare come un inchiostro. Quindi, invece di essere legati a questi rigidi substrati di vetro, potremmo eventualmente essere in grado di stampare o spruzzare le nostre celle solari su substrati flessibili come si stampa un giornale, " Dice Brown. "Questo è il genere di cose che non saresti in grado di fare con un wafer di silicio."

I punti quantici hanno i loro svantaggi, Certo, ecco perché questa tecnologia non è ancora arrivata sul mercato. "Gli elettroni hanno più difficoltà a saltare tra i punti quantici rispetto a viaggiare attraverso un puro, cristallo uniforme di silicio. Anche se i materiali che utilizziamo sono molto economici, la difficoltà di spostare la carica attraverso di essi porta a basse efficienze delle celle solari, " dice Brown. Ad esempio, gli elettroni possono rimanere intrappolati sulle superfici dei punti quantici. "Una cosa che vogliamo fare è capire che tipo di trucchi chimici possiamo usare sulla superficie del punto quantico per sbarazzarci di quegli stati trappola, " lui dice.

L'obiettivo a lungo termine della ricerca è utilizzare le proprietà elettroniche sintonizzabili per realizzare celle solari a punti quantici al solfuro di piombo ad alta efficienza che siano flessibili e in grado di essere prodotte a basso costo, dice Brown.

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.