En potentiell väg för att identifiera brister och förbättra kvaliteten på nanomaterial för användning i nästa generations solceller har uppstått från ett samarbete mellan University of Oregon och industriforskare.

För att öka ljusskördningseffektiviteten för solceller utöver kiselgränsen på cirka 29 procent, tillverkare har använt lager av kemiskt syntetiserade halvledarnanokristaller. Egenskaper hos kvantprickar som produceras manipuleras genom att kontrollera syntesprocessen och ytkemisk struktur.

Denna process, dock, skapar brister i de ytbildande fälltillstånden som begränsar enhetens prestanda. Tills nyligen, förbättringar i produktionskvalitet har förlitat sig på feedback från traditionella karakteriseringstekniker som undersöker genomsnittliga egenskaper hos ett stort antal kvantprickar.

"Vi vill använda dessa material i riktiga enheter, men de är ännu inte optimerade, " sa medförfattaren Christian F. Gervasi, en UO-doktorand.

I deras studie, detaljerat i Journal of Physical Chemistry Letters , forskare undersökte elektroniska tillstånd av blysulfid nanokristaller. Genom att använda ett specialdesignat scanning tunnelmikroskop, forskare skapade kartor i atomär skala över densiteten av tillstånd i individuella nanokristaller. Detta gjorde det möjligt för dem att lokalisera energierna och lokaliseringen av laddningsfällor förknippade med defekter i nanokristallytstrukturen som är skadliga för elektronutbredning.

Mikroskopet designades i labbet av medförfattaren George V. Nazin, professor vid UO:s institution för kemi och biokemi. Dess användning beskrevs i en tidigare artikel i samma tidskrift, där Nazins labbmedlemmar kunde visualisera de interna strukturerna hos elektroniska vågor som fångas av externa elektrostatiska laddningar i kolnanorör.

"Den här tekniken är riktigt cool, sa Peter Palomaki, senior forskare för Voxtel Nanophotonics och medförfattare till den nya uppsatsen. "När man verkligen gräver ner sig i vetenskapen på en mycket grundläggande nivå, detta problem har alltid varit en öppen fråga. Detta papper är bara toppen av isberget när det gäller att kunna förstå vad som händer."

Insikten, han sa, bör hjälpa tillverkare att justera sin syntes av nanokristaller som används i en mängd olika elektroniska enheter. Medförfattare Thomas Allen, också senior forskare vid Voxtel, gick med på. Projektet började efter att Allen hörde Gervasi och Nazin diskutera mikroskopets kapacitet.

"Vi ville se vad mikroskopet kunde åstadkomma, och det visar sig att det ger oss mycket information om fälltillstånden och djupet av fälltillstånden i våra kvantprickar, sa Allen, som gick med i Voxtel efter att ha avslutat Industrial Internship Program i UO:s Materials Science Institute. "Informationen kommer att hjälpa oss att finjustera ligandkemin för att göra bättre enheter för solceller, detektorer och sensorer."

De fälltillstånd som ses av mikroskopet i detta projekt kan förklara varför nanopartikelbaserade solceller ännu inte har kommersialiserats, sa Nazin.

"Nanopartiklar är inte alltid stabila. Det är ett grundläggande problem. När man syntetiserar något i den här skalan får man inte nödvändigtvis samma struktur för alla kvantprickar. Att arbeta på atomär skala kan ge stora variationer i de elektroniska tillstånden. Vårt verktyg låter oss se dessa tillstånd direkt och låter oss ge feedback om materialet."