Стабильные коллоидные квантовые точки бьют рекорды эффективности
 Схематическое изображение структуры предложенных коллоидных квантовых точек. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Коллоидные квантовые точки представляют собой полупроводниковые частицы, диаметр которых не превышает нескольких нанометров. Они могут быть синтезированы из раствора, а значит, пленки, состоящие из подобных частиц, могут легко наноситься на всевозможные гибкие или жесткие подложки (по принципу краски или чернил).
Коллоидные квантовые точки могут использоваться в качестве компонента, поглощающего свет, в дешевых, но, в то же время, высокоэффективных неорганических солнечных батареях. В таких солнечных элементах фотоны, попав в фотоэлектрический материал, инициируют появление пары свободных носителей заряда – электрона и дырки проводимости, энергия которых равна или превышает энергию так называемой запрещенной зоны данного материала. Одним из преимуществ использования коллоидных квантовых точек в качестве фотогальванического материала является их способность поглощать свет в широком диапазоне длин волн, благодаря возможности настройки ширины запрещенной зоны (с помощью простого изменения размеров наночастиц ширина запрещенной зоны может варьироваться в большом диапазоне энергий).
Устройства, изготовленные из подобных квантовых точек, требуют высокого качества наноструктур. Причем, в таком слое должны быть представлены коллоидные наночастицы как n-типа (с избытком свободных электронов), так и p-типа (с недостатком электронов по сравнению с дырками проводимости). Наличие обоих «сортов» наночастиц в устройстве позволяет повысить эффективность поглощения света фотоэлектрическим слоем. Но основная проблема заключается в том, что коллоидные наночастицы, изготовленные из полупроводников n-типа, легко окисляются на воздухе. Связываясь с атомами кислорода из воздуха, такие наночастицы отдают свои «лишние» электроны и превращаются в полупроводники p-типа. В своей последней работе группа ученых из University of Toronto (Канада) предложила решение этой проблемы.
Исследователи из Канады предложили новый тип коллоидных квантовых точек n-типа, которые не связываются с молекулами кислорода при контакте с воздухом. Используя теорию функционала плотности, ученые выявили неорганические вещества, обеспечивающие пассивацию, т.е. связывающиеся с поверхностью коллоидных наночастиц и препятствующие таким образом окислению. Результаты этого моделирования они использовали для разработки методики производства стабильных на воздухе коллоидных квантовых точек n-типа.
В рамках своей работы исследователи использовали разработанный материал для изготовления устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, которые могут похвастаться самой высокой плотностью тока на фоне других подобных структур (создаваемых на основе коллоидных наночастиц другого типа). Причем, эффективность преобразования энергии из солнечной в электрическую им удалось поднять более чем на 8%.
На сегодняшний день большая часть солнечных батарей изготавливается из сравнительно тяжелых кристаллических материалов. Но работа ученых доказала, что такие легкие и универсальные материалы, как покрытия из коллоидных наночастиц, потенциально могут быть экономически конкурентоспособными на фоне традиционных технологий. Предложенная исследователями новая форма твердого и стабильного светочувствительного материала может найти применение в недорогих солнечных батареях на гибких подложках, в том числе, на гибких кровельных покрытиях. Также подобные структуры позволяют создавать отличные датчики для обнаружения различных газов, к примеру, NO2.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials.
Также по теме:
- «Электронные усы» из углеродных нанотрубок помогут улучшить кожу роботов
- Ученые нашли «универсальные» наночастицы, которые пригодны и в качестве катализатора, и для треккинга реакции
- Ученые выявили лучшую форму для наночастиц, применяющихся в медицине
- Полимерные частицы могут стать хорошим акустическим контрастом
- Ученые создали безвредные для организма наноконтейнеры для лекарств
Источники: