Солнечный свет — наш самый распространенный источник возобновляемой энергии, и изучение того, как лучше всего собирать это излучение, является ключом к будущим потребностям мира в энергии. Исследователи из KAUST обнаружили, что эффективность солнечных элементов можно повысить, комбинируя неорганические полупроводниковые нанокристаллы с органическими молекулами.
Квантовые точки — это кристаллы, размер которых составляет всего около 10 нанометров. Электрон, захваченный точкой, имеет свойства, совершенно отличные от свойств электрона, который может свободно перемещаться через более крупный материал.
«Одно из самых больших преимуществ квантовых точек для технологий солнечных элементов — возможность настройки их оптических свойств», — пояснил доцент кафедры химических наук KAUST Омар Мохаммед. «Им можно управлять, изменяя размер квантовой точки».Мохаммед и его коллеги разрабатывают квантовые точки из сульфида свинца для сбора оптической энергии; они, как правило, больше, чем точки, сделанные из других материалов. Соответственно, квантовые точки сульфида свинца могут поглощать свет в более широком диапазоне частот. Это означает, что они могут поглощать большую часть солнечного света по сравнению с другими меньшими точками.
Чтобы создать полностью функционирующий солнечный элемент, электроны должны иметь возможность перемещаться из области поглощения квантовой точки и течь к электроду. Как ни странно, свойство больших квантовых точек сульфида свинца, которое делает их полезными для широкополосного поглощения — меньшая ширина запрещенной зоны электронов — также препятствует этому процессу сбора энергии. Раньше эффективный перенос электронов достигался только для квантовых точек сульфида свинца диаметром менее 4,3 нанометра, что приводило к ограничению частоты преобразуемого света.Нововведение Мохаммеда и его команды состояло в том, чтобы смешать квантовые точки сульфида свинца различных размеров с молекулами из семейства, известного как порфирины.
Исследователи показали, что, меняя используемый порфирин, можно контролировать перенос заряда от больших точек сульфида свинца; в то время как одна молекула полностью отключила перенос заряда, другая обеспечивала передачу со скоростью, превышающей 120 фемтосекунд.Команда считает, что это улучшение способности собирать энергию связано с межфазным электростатическим взаимодействием между отрицательно заряженной поверхностью квантовой точки и положительно заряженным порфирином.
«Благодаря этому подходу мы теперь можем расширить размер квантовой точки для эффективной передачи заряда, чтобы включить большую часть ближней инфракрасной области спектра, выходя за рамки ранее сообщенного порогового значения», — заявил Мохаммед. «В дальнейшем мы надеемся реализовать эту идею в солнечных элементах с различной архитектурой для оптимизации эффективности».