Solceller gjorda av blysulfid kvantprickar kan så småningom erbjuda en billigare, mer flexibelt alternativ till de som är gjorda med kisel, men de är för närvarande mycket mindre effektiva. Dock, förändring av den kemiska sammansättningen av kvantprickiga solceller erbjuder ett sätt att ställa in dem för att nå högre effektivitet, MIT fysik doktorand Patrick R. Brown säger.

"Istället för att börja med en högeffektiv teknik och sedan försöka göra det billigare, vilket är vad vi gör nu med kisel, vår plan är att börja med något som vi vet att vi kan göra billigt och se om vi kan göra det mer effektivt, Brown förklarar.

Bly sulfid är rikligt, förekommer naturligt i mineralet galena, och världen producerar för närvarande tillräckligt med bly och svavel inom loppet av några veckor för att bygga blysulfidsolceller för att leverera all världens el, Bruna toner. Andra alternativ till kisel såsom kadmiumtellurid eller kopparindiumgalliumdiselenid (CIGS) har nackdelen att använda dyrare och mindre rikliga utgångsmaterial. Blysulfidkvantprickar har en annan fördel jämfört med andra framväxande tunnfilmssolcellsteknologier som organiska polymerer och perovskiter genom att de är stabila i luft.

"Jag fokuserar på att försöka ta reda på vilka rattar vi har för att vrida på det här materialet som sedan gör det möjligt för oss att nå högre effektivitet, "Säger Brown.

Ligander ändrar energinivåer

Kvantpunkter är kristallina halvledare i nanoskala vars bandgap ändras med storleken. Bandgapet avgör vilka regioner av solspektrumet - som innehåller ultraviolett ljus, synlig, och infrarött ljus - som solceller med kvantpunkt kan absorbera och omvandla till elektricitet. Browns senaste samarbetsforskning med MIT -professor Vladimir Bulović och fem andra visade hur man fäster olika organiska molekyler, eller ligander, till ytan av kvantprickar kan ändra sin energinivå. Brown tillverkade och studerade sina kvantprickiga blysulfidsolceller i Bulovićs organiska och nanostrukturerade elektroniklaboratorium.

När solljus träffar en halvledare i en solcell, den kan excitera en elektron från dess tätt bundna grundtillstånd i "valensbandet" till mindre tätt bundna tillstånd i "ledningsbandet, " där elektronerna kan röra sig fritt och generera en elektrisk ström. Brown studerade inflytandet som olika kemiska ligander har på grundtillståndsenergierna hos elektroner i kvantpunktsvalensbandet. Med hjälp av en teknik som kallas ultraviolett fotoelektronspektroskopi i labbet av MIT-professor Marc A. Baldo, Brown mätte de olika elektroniska egenskaperna hos blysulfid-kvantprickfilmer behandlade med 12 olika kemiska ligander. Resultaten visar att dessa ytligander fungerar som små elektriska dipoler – den elektriska motsvarigheten till den välbekanta stavmagneten – och därmed kan påverka energin hos elektronerna inom en kvantpunkt.

Vägledande effektiv design

"I vårt arbete, vi visar att när du ändrar ytliganderna, du kan lämna bandgapet detsamma, men ändra de absoluta energinivåerna, " säger Brown. Förmågan att justera både storleken på kvantpunkten och dess ytkemi kan styra utformningen av effektiva solceller och, så småningom, multi-junction enheter som absorberar mer av solens spektrum. "Med denna förmåga att ställa in energinivåerna för kvantprickarna genom att ändra ligander, vi kan se till att det inte finns några energetiska barriärer i vår enhet och att elektronerna har en nedförsbacke energetisk väg ut ur enheten, "Brown förklarar." Möjligheten att justera dessa egenskaper med hjälp av så enkla kemiska processer är det som skiljer dessa material åt, vilket gör dem till ett unikt och lovande val för användning i solceller, " säger Brown.

Brown och MIT materialvetenskap doktorand Donghun Kim var medförfattare till tidningen, "Energinivåmodifiering i blysulfid Quantum Dot-tunna filmer genom ligandutbyte, " publicerad i ACS Nano i juni 2014. Andra medförfattare var MIT-professorerna Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, och Moungi G. Bawendi, liksom Richard R. Lunt, biträdande professor i kemiteknik och materialvetenskap vid Michigan State University, och Ni Zhao, biträdande professor i elektronisk teknik vid Chinese University of Hong Kong. Brun, 27, är inne på sitt sjätte år som doktorand i fysik och förväntar sig att doktorera under 2015. Han tog sin kandidatexamen i fysik och kemi vid University of Notre Dame. Brown är National Science Foundation Fellow samt Fannie and John Hertz Foundation Fellow.

Kim använde datorsimuleringar i atomskala för att modellera interaktionerna mellan de kemiska liganderna och kvantprickytan. Dessa simuleringar förklarade ett nyckelresultat av studien, visar att de olika elektriska dipolmomenten för liganderna är ansvariga för förändringarna i kvantpunktsenerginivåer. "Oavsett hur en specifik ligand binder till kvantpunktsytan, Donghuns simuleringar visade en förändring i energinivåer som matchade de förändringar som vi mätte experimentellt, " säger Brown.

Möter efterfrågan i världen

För att försörja en stor del av världens energibehov med solceller, tiotusentals kvadratkilometer solceller skulle behöva installeras, säger Brown. Silikonbaserade solceller är effektiva och blir billigare när fler tillverkas, men deras spröda natur gör att de måste inkapslas av stela, relativt tunga ramar av aluminium och glas. "Nyckelidén med kvantprickar är att istället för att utgå från stora kristaller av kisel som måste skivas i enstaka wafers, vi börjar med mycket små kristaller, ungefär 10 nanometer i diameter, som vi kan lösa upp i lösning och skriva ut som ett bläck. Så istället för att vara bunden till dessa styva glassubstrat, vi skulle så småningom kunna skriva ut eller spraya våra solceller på flexibla substrat som du skulle trycka en tidning, Brown säger. "Det är sådana saker som du inte skulle kunna göra med en kiselwafer."

Kvantprickar har sina nackdelar, självklart, vilket är anledningen till att denna teknik ännu inte har kommit ut på marknaden. "Elektroner har svårare att hoppa mellan kvantprickar än när de färdas genom en ren, enhetlig kristall av kisel. Även om materialen vi använder är mycket billiga, svårigheten att flytta laddning genom dem leder till låg solcellseffektivitet, " säger Brown. Till exempel, elektroner kan fastna på ytan av kvantprickar. "En sak vi vill göra är att ta reda på vilken typ av kemiska knep vi kan spela vid ytan av kvantpunkten för att bli av med de fälltillstånden, " han säger.

Det långsiktiga målet med forskningen är att använda de avstämbara elektroniska egenskaperna för att göra kvantprickiga blysulfidsolceller med högre effektivitet som är flexibla och kan tillverkas till låg kostnad, säger Brown.

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.