Den här illustrationen visar två ljusabsorberande kvantprickar (orange/röda sfärer) omgivna av en ledande polymer ("stick-and-ball"-struktur). Att krympa kärnan av kvantpunkten ökar överföringen av elektriska laddningar som kallas "hål" (h+) från kvantpunkten till polymeren. Kvantprickar med förbättrad laddningsöverföring skulle kunna användas i fotovoltaiska solceller.
(Phys.org) – Kvantpunkter – små halvledarkristaller med diametrar mätt i miljarddels meter – har enorm potential för tillämpningar som utnyttjar deras förmåga att absorbera eller avge ljus och/eller elektriska laddningar. Exempel inkluderar mer levande färgade lysdioder (LED), fotovoltaiska solceller, nanoskala transistorer, och biosensorer. Men eftersom dessa applikationer har olika – ibland motsatta – krav, Att hitta sätt att kontrollera prickarnas optiska och elektroniska egenskaper är avgörande för deras framgång.
I en studie som just publicerats i tidskriften Kemisk kommunikation , forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, och Syracuse University visar att krympning av kärnan i en kvantpunkt kan förbättra förmågan hos en omgivande polymer att extrahera elektriska laddningar som genereras i punkten genom absorption av ljus.
"Fotovoltaiska celler gjorda av kvantprickar parade med plastmaterial som ledande polymerer är mycket enklare att tillverka och billigare än konventionella kiselbaserade solceller, sa Mircea Cotlet, en fysikalisk kemist vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), som ledde forskargruppen. "Den här typen av material är billiga, lätt att syntetisera, och deras montering skulle vara relativt lätt."
Nackdelen är att just nu, solenergienheter baserade på kisel kan inte slås när det gäller effektivitet. Men forskning som syftar till att förstå solcellsprocessen på nanoskala kan förändra det.
"Förmågan att tillverka och studera enskilda partiklar vid CFN tillåter oss att observera och testa egenskaper som skulle bli suddiga, eller i genomsnitt, i större prover, " sa Huidong Zang, en postdoktor som arbetar med Cotlet och första författare på uppsatsen.
I en solcell, det ideala materialet skulle absorbera mycket ljus och effektivt omvandla den energin till elektriska laddningar som lätt kan extraheras som en ström. För att studera detaljerna i denna process, forskarna använde kvantprickar bestående av en ljusabsorberande kadmium-selenkärna inkapslad i ett skyddande zinksulfidskal och omgiven av en ledande polymer. De testade polymerens förmåga att extrahera elektriska laddningar som genererades när kvantprickarna absorberade ljus, och genomförde experiment med kvantprickar med kärnor av olika storlekar.
CFN:s Mircea Cotlet (stående), post-doc Huidong Zang (mitten), och Prahlad Kumar Routh, en doktorand vid materialvetenskapsavdelningen vid Stony Brook University, hoppas att deras forskning om kvantprickar för solceller kommer att lysa upp vår energiframtid. Forskarna bär laserskyddsglasögon som krävs för sina experiment.
"Vi visste från teoretiska förutsägelser att partikelstorleken skulle ha en effekt på laddningsöverföringen med polymeren, men ingen hade gjort detta som ett experiment förrän nu, och i synnerhet på enpartikelnivå, " sa Cotlet.
När de varierade storleken på kvantpunktens kärna, forskarna fann att ju mindre diameter, desto effektivare och mer konsekvent blir avgiftsöverföringsprocessen.
"Genom att använda en mindre kärna, vi ökade effektiviteten i laddningsöverföringsprocessen och minskade fördelningen av laddningsöverföringshastigheten så att den var närmare idealet med mindre variation, " sa Zang.
Forskarna undersökte en viss typ av laddningsöverföring skapad av rörelsen av "hål" - områden med positiv laddning skapade av frånvaron av negativt laddade elektroner. I elektroniska enheter, Hål kan kanaliseras precis som elektroner för att skapa elektrisk ström. Och i det här fallet hade att extrahera hål en extra fördel – det ökade tiden som kvantprickar, som slås på och av i ett blinkande mönster, förblev i "på" skick.
"Hålöverföring förhindrar blinkning, " sa Cotlet. "Det håller kvantpunkten optiskt aktiv längre, vilket är bättre för solcellsprocessen, eftersom laddningar bara kan extraheras när kvantpunkten är på."
"Det skulle vara omöjligt att se denna effekt med bulkprover eftersom du inte kan se "på" och "av" tillstånden. När många kvantprickar blandas ihop, signalerna utgår i genomsnitt. Du kan bara se det genom att titta på de enskilda nanopartiklarna."
Cotlets grupp hade tidigare genomfört en liknande studie där kvantprickar parades med kolrika buckyballs. I den studien, de fann den motsatta effekten:Buckyballs minskade prickarnas "på"-tid samtidigt som de förbättrade överföringen av elektroner.
I andra applikationer som kammar prickar och polymerer, såsom lysdioder eller biosensorer, forskare letar efter sätt att undertrycka laddningsöverföring eftersom denna process blir skadlig.
"Att känna till dessa grunder och hur man kontrollerar dessa processer på nanoskala borde hjälpa oss att optimera användningen av kvantprickar för ett brett spektrum av applikationer, " sa Cotlet.
