Quantum dots är halvledarpartiklar i nanometerstorlek med potentiella tillämpningar i solceller och elektronik. Forskare från University of Groningen och deras kollegor från ETH Zürich har nu upptäckt hur man kan öka effektiviteten hos laddningskonduktivitet i bly-svavelkvantpunkter. Deras resultat kommer att publiceras i tidningen Vetenskapliga framsteg den 29 september.

Kvantprickar är kluster av cirka 1, 000 atomer som fungerar som en stor "superatom". Prickarna, som syntetiseras som kolloider, dvs upphängd i en vätska som en slags färg, kan organiseras i tunna filmer med enkla lösningsbaserade behandlingstekniker. Dessa tunna filmer kan göra ljus till elektricitet. Dock, forskare har upptäckt att de elektroniska egenskaperna är en flaskhals. "Speciellt ledningen av hål, den positiva motsvarigheten till negativt laddade elektroner, "förklarar Daniel Balazs, Ph.D. student i gruppen Fotofysik och optoelektronik av prof. Maria A. Loi vid University of Groningen Zernike Institute for Advanced Materials.

Stokiometri

Lois grupp arbetar med bly-sulfidkvantprickar. När ljuset producerar ett elektronhålspar i dessa prickar, elektronen och hålet rör sig inte med samma effektivitet genom sammansättning av prickar. När transporten av endera är begränsad, hålen och elektronerna kan lätt rekombineras, vilket minskar effektiviteten för ljus-till-energi-omvandling. Balazs försökte därför förbättra den dåliga hålkonduktansen i kvantprickarna och hitta en verktygssats för att göra denna klass av material avstämbar och multifunktionell.

"Roten till problemet är bly-svavel-stökiometri, "förklarar han. I kvantprickar, nästan hälften av atomerna är på ytan av superatomen. I bly-svavelsystemet, blyatomer fyller företrädesvis ytterdelen, vilket betyder ett förhållande av bly till svavel på 1:3 snarare än 1:1. Detta överskott av bly gör denna kvantpunkt till en bättre ledare för elektroner än hål.

Tunna filmer

I bulkmaterial, transporten förbättras i allmänhet genom att "dopa" materialet:tillsätta små mängder föroreningar. Dock, försök att tillsätta svavel till kvantprickarna har hittills misslyckats. Men nu, Balazs och Loi har hittat ett sätt att göra detta och på så sätt öka hålrörligheten utan att påverka elektronrörligheten.

Många grupper har försökt kombinera tillsatsen av svavel med andra produktionssteg. Dock, detta orsakade många problem, såsom att störa sammansättningen av prickarna i den tunna filmen. Istället, Balazs producerade först beställda tunna filmer och tillsatte sedan aktivt svavel. Svavelatomer tillsattes således framgångsrikt till ytan av kvantprickarna utan att påverka filmens andra egenskaper. "En noggrann analys av de kemiska och fysiska processerna under montering av tunna kvantprickade filmer och tillsats av extra svavel var det som behövdes för att få detta resultat. Det är därför vår grupp, med samarbete från våra kemikollegor från Zürich, lyckades till slut. "

Enheter

Lois team kan nu tillsätta olika mängder svavel, vilket gör att de kan ställa in de elektriska egenskaperna hos superatomaggregaten. "Vi vet nu att vi kan förbättra effektiviteten hos quantum dot -solceller över nuvarande rekord på 11 procent. Nästa steg är att visa att denna metod också kan göra andra typer av funktionella enheter som termoelektriska enheter." Det understryker de unika egenskaperna hos kvantprickar - de fungerar som en atom med specifika elektriska egenskaper. "Och nu kan vi montera dem och konstruera deras elektriska egenskaper som vi vill. Det är något som är omöjligt med massmaterial och det öppnar nya perspektiv för elektroniska och optoelektroniska enheter."