Det har funnits ett stort intresse de senaste åren för att använda små partiklar som kallas kvantprickar för att producera till låg kostnad, lätt att tillverka, stabila solceller. Men, än så länge, skapandet av sådana celler har begränsats av det faktum att i praktiken, kvantprickar är inte lika bra på att leda en elektrisk laddning som de är i teorin.

Något i den fysiska strukturen hos dessa celler verkar fånga deras elektriska laddningsbärare (känd som elektroner och hål), men forskare har varit hårt pressade att ta reda på exakt vad. Nu, för den mest använda typen av kvantprickar, gjorda av föreningar som kallas metallkalkogenider, forskare från MIT kan ha hittat nyckeln:Den begränsande faktorn verkar vara off-kilter-förhållanden mellan de två grundläggande komponenterna som utgör prickarna.

De nya rönen - av Jeffrey Grossman, Carl Richard Söderberg docent i kraftteknik, materialvetenskap och ingenjörsstudent Donghun Kim, och två andra forskare – rapporterades denna månad i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

I bulkmängder av blysulfid, materialet som används för kvantprickarna i denna studie, förhållandet (känd av kemister som "stökiometri") mellan blyatomer och svavelatomer är exakt 1-till-1. Men i de minimala mängderna av materialet som används för att göra kvantprickar - som, I detta fall, var cirka 5 nanometer, eller miljarddels meter, över – detta förhållande kan variera avsevärt, en faktor som inte tidigare studerats i detalj. Och, forskarna fann, det visar sig att detta förhållande är nyckeln till att bestämma materialets elektriska egenskaper.

När stökiometrin är en perfekt 1-till-1, kvantprickarna fungerar bäst, tillhandahåller det exakta halvledarbeteende som teorin förutsäger. Men om förhållandet är avstängt i endera riktningen - lite mer bly eller lite mer svavel - förändras beteendet dramatiskt, hindrar solcellens förmåga att leda laddningar.

Att ta hand om hängande band

Grossman förklarar att varje atom inuti materialet har angränsande atomer på alla sidor, så alla den atomens potentiella bindningar används, men vissa ytatomer har inga grannar, så deras bindningar kan reagera med andra atomer i miljön. Dessa saknade obligationer, ibland kallade "dinglande band, " har ansetts spela en avgörande roll i en kvantpunkts elektroniska egenskaper.

Som ett resultat, konsensus på området har varit att de bästa enheterna kommer att ha vad som kallas full "passivering":tillägg av extra molekyler som binder till eventuella lösa atombindningar på materialets yta. Tanken var att tillsats av mer av det passiverande materialet (kallade ligander) alltid skulle förbättra prestandan, men det fungerade inte som forskarna hade förväntat sig:Ibland förbättrade det prestandan, men ibland gjorde det det värre.

"Det var den traditionella uppfattningen som folk trodde, säger Kim, som var tidningens huvudförfattare. Men nu visar det sig att "hur många dinglande bindningar kvantpunkten har är inte alltid viktigt, eftersom det egentligen inte påverkar tätheten av fälltillstånd - åtminstone i bly- och svavelbaserade prickar." Så, om en given punkt redan har ett exakt 1-till-1-förhållande, att lägga till ligander gör det värre, säger Kim.

Den nya forskningen löser mysteriet om varför det är:Datorsimuleringar visar att det finns en optimal mängd passiverande material, en mängd som neutraliserar exakt tillräckligt mycket av dessa lösa bindningar för att motverka eventuella avvikelser i stökiometrin, återställa en effektiv 1-till-1-balans. För mycket eller för lite passiverande material, och obalansen kvarstår, eller till och med ökar, minskar materialets effektivitet.

Stor potential för solceller

Det har varit "mycket spänning" om potentialen för kvantprickar i applikationer inklusive elektroniska enheter, belysning och solceller, säger Grossman. Bland andra potentiella fördelar, kvantprickiga solceller kan tillverkas i en lågtemperaturprocess, genom att avsätta material från en lösning vid rumstemperatur, snarare än den höga temperaturen, energikrävande processer som används för konventionella solceller. Dessutom, sådana enheter skulle kunna justeras exakt, "för att erhålla maximal omvandling av specifika våglängder (färger) av ljus till energi, genom att justera storleken och formen på partiklarna.

För att gå utöver de effektivitetsvinster som hittills uppnåtts med kvantpricksolceller, Grossman säger, forskare behövde förstå varför laddningarna fastnade i materialet. "Vi hittade något helt annat än vad folk trodde var orsaken till problemet, " han säger.

"Vi hoppas att detta kommer att inspirera experimenterande att titta på detta på nya sätt, " han lägger till.

Att ta reda på hur man tillämpar denna kunskap, och hur man producerar kvantprickar med välkontrollerade elementära förhållanden, kommer att vara "utmanande, Grossman säger, "men det finns ett antal sätt att kontrollera ytan."

Upptäckten kom som en trevlig överraskning, Kim säger, noterade att forskarna oväntat observerade ursprunget till fälltillstånd när de studerade hur ytbehandlingar skulle påverka materialet. Men nu när de har hittat denna nyckelfaktor, han säger, de vet vad deras mål är i vidare forskning:"Elektronerna kommer att vara glada när fördelningen ... är precis rätt, " han säger.

Giulia Galli, en professor i fysik och kemi vid University of California i Davis som inte var kopplad till denna forskning, säger att det är "ett ganska kreativt och viktigt arbete, " och tillägger att "Jag är ganska säker på att detta kommer att stimulera nya experiment" för att konstruera stökiometrin av kvantprickar för att kontrollera deras egenskaper.

Uppsatsen har titeln "Inverkan av stökiometri på den elektroniska strukturen av PbS kvantprickar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.