En trio av forskare vid North Dakota State University och University of South Dakota har vänt sig till datormodellering för att hjälpa till att bestämma vilket av två konkurrerande material som ska få sin dag i solen som nanoskala energiskördande teknologi för framtida solpaneler – kvantprickar eller nanotrådar.

Andrei Kryjevski och hans kollegor, Dimitri Kilin och Svetlana Kilina, rapport i AIP Publishings Journal of Renewable and Sustainable Energy att de använde beräkningskemiska modeller för att förutsäga de elektroniska och optiska egenskaperna hos tre typer av nanoskala (miljarddels meter) kiselstrukturer med en potentiell tillämpning för solenergiinsamling:en kvantpunkt, endimensionella kedjor av kvantprickar och en nanotråd. Förmågan att absorbera ljus är avsevärt förbättrad i nanomaterial jämfört med de som används i konventionella halvledare. Att bestämma vilken form - kvantprickar eller nanotråd - som maximerar denna fördel var målet för det numeriska experimentet som utfördes av de tre forskarna.

"Vi använde Density Functional Theory, en beräkningsmetod som tillåter oss att förutsäga elektroniska och optiska egenskaper som återspeglar hur väl nanopartiklarna kan absorbera ljus, och hur den effektiviteten påverkas av interaktionen mellan kvantprickar och störningen i deras strukturer, " sa Kryjevski. "På detta sätt, vi kan förutsäga hur kvantprickar, kvantprickkedjor och nanotrådar kommer att bete sig i verkligheten även innan de syntetiseras och deras arbetsegenskaper experimentellt kontrolleras."

Simuleringarna gjorda av Kryjevski, Kilin och Kilina indikerade att ljusabsorptionen av kiselkvantprickkedjor ökar signifikant med ökad interaktion mellan de individuella nanosfärerna i kedjan. De fann också att ljusabsorption av kvantprickkedjor och nanotrådar beror starkt på hur strukturen är inriktad i förhållande till riktningen för fotonerna som träffar den. Till sist, forskarna lärde sig att den atomära strukturstörningen i de amorfa nanopartiklarna resulterar i bättre ljusabsorption vid lägre energier jämfört med kristallint-baserade nanomaterial.

"Baserat på våra resultat, vi tror att att placera de amorfa kvantprickarna i en array eller slå samman dem till en nanotråd är de bästa aggregaten för att maximera effektiviteten hos kiselnanomaterial för att absorbera ljus och transportera laddning genom ett solcellssystem, " sa Kryjevski. "Men, vår studie är bara ett första steg i en omfattande beräkningsundersökning av egenskaperna hos halvledarkvantpunktssammansättningar.

"Nästa steg är att bygga mer realistiska modeller, som större kvantprickar med sina ytor täckta av organiska ligander och simulerar processerna som sker i faktiska solceller, " han lade till.