Blysulfidnanokristaller lämpliga för solceller har ett nästan ett-till-ett-förhållande mellan bly och svavelatomer, men MIT-forskare upptäckte att för att göra kvantprickar av samma storlek, ett högre förhållande mellan bly och svavelprekursorer – 24 till 1 – är bättre.

MIT kemiteknikstudent Mark C. Weidman utvecklade det syntetiska receptet i William A. Tisdales labb, Charles och Hilda Roddey Karriärutvecklingsprofessor i kemiteknik vid MIT, med kollegor Ferry Prins, Rachel S. Hoffman och 2013 års sommarforskare Megan Beck. Storhetens enhetlighet kan främja långa excitondiffusionslängder i blysulfid (PbS) kvantprickfilmer, Säger Weidman.

Vanligtvis syntetiseras kvantprickar som en kolloid, med partiklar suspenderade i en vätska. Om kvantprickarna alla har samma storlek, de kan självmontera till ett ordnat galler. "Om de är tillräckligt monodispersa, det är det termodynamiskt gynnade tillståndet, " förklarar Weidman.

Han bekräftade monodispersiteten i sina filmer med transmissionselektron- och svepelektronmikroskopi. Weidman reste också till National Synchrotron Light Source vid Brookhaven National Laboratory på Long Island, N.Y., för att utföra betesincidens små vinkel röntgenspridning (GISAXS) och vidvinkel röntgenspridning (WAXS) studier av hans tunna filmer.

"Mark och Megan kunde göra extremt monodispersa, oöverträffad monodispersitet i denna speciella typ av nanokristall, blysulfid, " säger Tisdale. Weidman nysta upp mekanismen för den enhetliga storleken och strukturen.

Weidman, som förväntar sig att avsluta sin doktorsexamen vid MIT 2016, är intresserad av blysulfid på grund av dess användningsområden för solceller. "I något som en blysulfidfilm som används för solceller, för solceller, i så fall vill du att dina kvantprickar ska absorbera ljus. Men då vill du inte att den ska sändas ut igen. Du vill ta elektronen och hålet och i princip få ut dem ur filmen, få dem till en extern krets. Så, du vill maximera diffusion i din film; du vill att det ska vara väldigt lätt att ta bort det här elektron- och hålparet och du vill ha en lång livslängd för det elektron- och hålparet så att du har mycket tid för det att vandra runt i filmen och extraheras, " säger Weidman.

"Vi hoppas kunna hitta sätt att bättre öka effektiviteten hos solceller genom att göra dina diffusionslängder i filmer av blysulfid mycket längre, och på så sätt är det lättare att extrahera laddningsbärare från filmen. "

Diffusionslängd avser processen för excitoner (par motsatt laddade elektroner och hål) som rör sig, eller "hoppa, "från kvantpunkt till kvantpunkt, eller från kvantprickar till ett närliggande material. Både avståndet som excitonerna reser och deras livslängd påverkar potentiella tillämpningar. Weidman var medförfattare till en samarbetsstudie bland professorerna Tisdale, Vladimir Bulovic, och Adam Willard om diffusion i kvantprickfasta ämnen, som mätte excitonlivslängder och modellerade excitondiffusionslängder. Doktorand A. Jolene Mork assisterade vid provberedning och transienta spektroskopimätningar.

För den studien, Weidman utförde elektronmikroskopi och analys med hjälp av bildbehandlingsverktyg och MATLAB-programmering för att bestämma separationen, eller fysiskt avstånd, mellan kvantprickar i filmen. Kadmiumselenidkärnans kvantprickar med ett kadmiumzinksvavelskal hade ett medelavstånd från centrum till centrum på cirka 7,9 nanometer från varandra. "Vad vi lärde oss är att du vill göra centrum-till-centrum-avståndet så litet som möjligt för att få en längre diffusionslängd, för att maximera din diffusionslängd, " säger Weidman.

Kvantprickar värderas också för sin egenskap att ändra färg när de ändrar storlek, vilket är knutet till deras föränderliga bandgap. För att ha en konsekvent färg, du måste ha en konsekvent storlek bland en ensemble av kvantprickar. Tisdale-gruppkollegan Elizabeth M.Y. (Liza) Lee simulerade storleksvariationer i kvantprickfilmen för studien, Weidman konstaterar. "Det här dokumentet visar ganska mycket att du kan kontrollera hur mycket energisk diffusion som sker i filmer av kvantprickar genom att skräddarsy hur nära de är fysiskt, " han förklarar.

"Den andra stora implikationen i detta dokument är att från vad vi såg i några av simuleringarna, någon energetisk störning kan vara bra i dessa filmer för att få bollen att rulla på energidiffusion. Om du har några storleksvariationer och det ger dig energivariationer, sen när du upphetsar den här filmen, och du får denna population av exciterade kvantprickar, då har vissa av dem högre energi än andra, några av dem är lägre energier, så naturligtvis kommer excitonerna som finns på kvantprickarna med högre energi att hitta platsen med lägre energi, och det är energidiffusion. Så lite storleksvariation kan hjälpa till att påskynda processen, "Weidman säger." Om du tänker på det som ett kuperat landskap, du har dessa excitoner som är på toppen av kullen, och de hittar ett sätt att rulla ner till botten av kullen, medan om du hade en helt homogen film som är platt i energi, då startar du inte energidiffusion lika snabbt."

Weidman är huvudförfattare a Materialkemi papper som ytterligare undersökte och karakteriserade supergitterbildningen av blysulfidnanokristaller. "Vi kan göra långdistans supergitter där inte bara kvantprickarna är ordnade, men deras atomplan är också inriktade, Weidman förklarar. "Vi fann också att vi kan ändra ligandarten på ytan av våra kvantprickar, ett utmärkt sätt att ändra filmens egenskaper, till mer kompakta och funktionella arter utan att störa supergitterarrangemanget." Han undersöker för närvarande transport av energi över långa avstånd i infraröda material, som skulle kunna tillämpas på solceller.

Weidman, en 26-årig examen från University of Delaware, kommer ursprungligen från Haddonfield, N.J. Efter att ha avslutat sin doktorsexamen vid MIT, han planerar att få jobb inom industrin. "Jag skulle vilja fortsätta arbeta med nanomaterial, " säger han. "Jag tycker att det är ett väldigt spännande område."

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.