Андрей Крыевский и его коллеги, Дмитрий Килин и Светлана Килина, сообщают в журнале возобновляемой и устойчивой энергетики AIP Publishing, что они использовали модели вычислительной химии для предсказания электронных и оптических свойств трех типов наноразмерных (миллиардных долей метра) кремниевых структур с потенциальное применение для сбора солнечной энергии: квантовая точка, одномерные цепочки квантовых точек и нанопроволока. Способность к поглощению света у наноматериалов значительно улучшена по сравнению с теми, которые используются в обычных полупроводниках. Определение того, какая форма — квантовые точки или нанопроволока — максимизирует это преимущество, было целью численного эксперимента, проведенного тремя исследователями.
«Мы использовали функциональную теорию плотности, вычислительный подход, который позволяет нам предсказать электронные и оптические свойства, которые отражают, насколько хорошо наночастицы могут поглощать свет, и как на эту эффективность влияет взаимодействие между квантовыми точками и беспорядок в их структурах», — сказал Криевский сказал. «Таким образом, мы можем предсказать, как квантовые точки, цепочки квантовых точек и нанопроволоки будут вести себя в реальной жизни, даже до того, как они будут синтезированы и их рабочие свойства будут проверены экспериментально."
Моделирование, проведенное Криевским, Килиным и Килиной, показало, что поглощение света цепочками кремниевых квантовых точек значительно увеличивается с усилением взаимодействий между отдельными наносферами в цепочке.
Они также обнаружили, что поглощение света цепочками квантовых точек и нанопроволок в значительной степени зависит от того, как структура выровнена по отношению к направлению фотонов, падающих на нее. Наконец, исследователи узнали, что беспорядок атомной структуры в аморфных наночастицах приводит к лучшему поглощению света при более низких энергиях по сравнению с наноматериалами на кристаллической основе.
«Основываясь на наших выводах, мы считаем, что размещение аморфных квантовых точек в массиве или объединение их в нанопроволоку — лучшие сборки для максимизации эффективности кремниевых наноматериалов по поглощению света и переносу заряда через фотоэлектрическую систему», — сказал Криевски. «Однако наше исследование — это только первый шаг в исчерпывающем вычислительном исследовании свойств сборок полупроводниковых квантовых точек.
«Следующие шаги — создание более реалистичных моделей, таких как более крупные квантовые точки, поверхность которых покрыта органическими лигандами, и моделирование процессов, происходящих в реальных солнечных элементах», — добавил он.