Att förhindra rekombination av gratisladdningar som produceras när ljus träffar en solcell är ett av huvudmålen för ingenjörer som försöker få ut maximal energiomvandlingseffektivitet från sina enheter. Ett sätt att uppnå detta är att bygga in en "heteroövergång" i cellen mellan positiva (p) och negativa (n) halvledare, vilket tillåter den ljusinducerade positiva och negativa laddningen att fly cellen genom att röra sig i motsatta riktningar vid heterojunction-gränssnittet. Mingyong Han vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och medarbetare1 har nu upptäckt ett sätt att producera högkvalitativa heterojunctions i nanoskala, sätta scenen för billigare och effektivare solcellsapparater.
Halvledarkristaller i nanoskala ger förbättrad yta för ljusabsorption och är också billigare att producera än konventionella litografimönstrade cellstrukturer. Dock, det har varit extremt svårt att bilda heteroövergångar av hög kvalitet mellan halvledare av n- och p-typ på ett sätt som uppnår den intima interkristallkontakt som behövs för att förbättra enhetens prestanda.
För att lösa detta problem krävs en teknik som kan binda samman de två halvledarna kemiskt. Tidigare studier har producerat binära nanokristaller med en sfärisk "kärna-skal"-struktur. Tyvärr, heterojunction baserad på dessa nanokristaller har låg energiomvandlingseffektivitet eftersom ljus har svårt att nå den inre kärnan. Han och hans medarbetare övervann detta problem genom att anta en annan väg för syntes.
Först, forskarna använde en blandning av ytaktiva ämnen under varma termiska förhållanden för att producera koppar(I)sulfid (CuxS), en välkänd halvledare av p-typ, i distinkt formade hexagonala skivor som är ungefär 40 nanometer breda och 15 nanometer tjocka. De väldefinierade aspekterna av dessa nya material gjorde det möjligt för forskarna att kärna ut kristallisationen av n-typ kadmiumsulfid (CdS) på de yttre kanterna av kristallerna.
Nästa, genom en process som kallas katjonbyte, forskarna övertalade kristallerna av n-typ att växa inåt, effektivt kemiskt omvandla en del av CuxS-skivorna till CdS. "Denna metod resulterar i nano-heterostrukturer med samma morfologi som originalmaterialet, säger Han. Genom att noggrant optimera reaktionsförhållandena, forskarna förvandlade den hexagonala nanodisken till en perfekt symmetrisk, sida vid sida heterojunction. Zinkmetaller införlivades också i gränssnittet för att ytterligare finjustera dess elektriska prestanda.
Han noterar att CuxS–CdS-heterostrukturen är lovande för solcellsteknik på grund av dess dubbelt tillgängliga yta och en energibandsjustering som driver stark laddningsseparation. Teamet förväntar sig också att syntetisera ett brett utbud av nya halvledarpar med denna enpottsteknik, dra nytta av systemets extraordinära kristalliseringsegenskaper.
