Ha habido un gran interés en los últimos años en el uso de partículas diminutas llamadas puntos cuánticos para producir de bajo costo, fabricado fácilmente, células fotovoltaicas estables. Pero, hasta aquí, la creación de tales células se ha visto limitada por el hecho de que, en la práctica, los puntos cuánticos no son tan buenos para conducir una carga eléctrica como en teoría.

Algo en la estructura física de estas células parece atrapar a sus portadores de carga eléctrica (conocidos como electrones y huecos), pero los investigadores han tenido dificultades para averiguar exactamente qué. Ahora, para el tipo de puntos cuánticos más utilizado, hecho de compuestos llamados calcogenuros metálicos, Es posible que los investigadores del MIT hayan encontrado la clave:el factor limitante parece ser una proporción desordenada de los dos componentes básicos que forman los puntos.

Los nuevos hallazgos, de Jeffrey Grossman, el profesor adjunto Carl Richard Soderberg de ingeniería energética, Donghun Kim, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales, y otros dos investigadores, se informó este mes en la revista Cartas de revisión física .

En grandes cantidades de sulfuro de plomo, el material utilizado para los puntos cuánticos en este estudio, la relación (conocida por los químicos como "estequiometría") de átomos de plomo a átomos de azufre es exactamente de 1 a 1. Pero en las minúsculas cantidades del material utilizado para hacer puntos cuánticos, que, en este caso, eran de unos 5 nanómetros, o mil millonésimas de metro, a través:esta proporción puede variar significativamente, un factor que no se había estudiado previamente en detalle. Y, los investigadores encontraron, resulta que esta relación es la clave para determinar las propiedades eléctricas del material.

Cuando la estequiometría es un perfecto 1 a 1, los puntos cuánticos funcionan mejor, proporcionando el comportamiento exacto de los semiconductores que predice la teoría. Pero si la proporción está desviada en cualquier dirección, un poco más de plomo o un poco más de azufre, el comportamiento cambia drásticamente, impidiendo la capacidad de la célula solar para realizar cargas.

Cuidando los lazos colgantes

Grossman explica que cada átomo dentro del material tiene átomos vecinos en todos los lados, por lo que se utilizan todos los enlaces potenciales de ese átomo, pero algunos átomos de la superficie no tienen vecinos, por lo que sus enlaces pueden reaccionar con otros átomos en el medio ambiente. Estos lazos perdidos a veces llamados "lazos colgantes, "Se ha pensado que desempeña un papel fundamental en las propiedades electrónicas de un punto cuántico.

Como resultado, el consenso en el campo ha sido que los mejores dispositivos tendrán lo que se conoce como "pasivación" completa:la adición de moléculas adicionales que se unen a cualquier enlace atómico suelto en la superficie del material. La idea era que agregar más material de pasivación (llamados ligandos) siempre mejoraría el rendimiento, pero eso no funcionó como los científicos esperaban:a veces mejoró el rendimiento, pero a veces lo empeoraba.

"Esa era la opinión tradicional que la gente creía, "dice Kim, quien fue el autor principal del artículo. Pero ahora resulta que "cuántos enlaces colgantes tiene el punto cuántico no siempre es importante, ya que realmente no afecta la densidad de los estados de la trampa, al menos en los puntos basados ​​en plomo y azufre ". si un punto dado ya tiene una proporción exacta de 1 a 1, agregar ligandos lo empeora, Dice Kim.

La nueva investigación resuelve el misterio de por qué:las simulaciones por computadora revelan que hay una cantidad óptima de material pasivante, una cantidad que neutraliza exactamente lo suficiente de estos enlaces sueltos para contrarrestar cualquier discrepancia en la estequiometría, restableciendo un equilibrio efectivo de 1 a 1. Demasiado o muy poco material pasivante, y el desequilibrio permanece, o incluso aumenta, reduciendo la eficiencia del material.

Gran potencial para las células solares

Ha habido "mucho entusiasmo" sobre el potencial de los puntos cuánticos en aplicaciones que incluyen dispositivos electrónicos, iluminación y células solares, Dice Grossman. Entre otras posibles ventajas, Las células solares de puntos cuánticos podrían fabricarse en un proceso de baja temperatura, depositando material de una solución a temperatura ambiente, en lugar de la alta temperatura, Procesos de uso intensivo de energía utilizados para la energía fotovoltaica convencional. Además, tales dispositivos podrían "sintonizarse con precisión, "para obtener la máxima conversión de longitudes de onda específicas (colores) de luz en energía, ajustando el tamaño y la forma de las partículas.

Para ir más allá de las eficiencias logradas hasta ahora con las células solares de puntos cuánticos, Grossman dice:los investigadores debían comprender por qué las cargas quedaron atrapadas en el material. "Encontramos algo bastante diferente de lo que la gente pensaba que estaba causando el problema, " él dice.

"Esperamos que esto inspire a los experimentadores a mirar esto de nuevas formas, " él añade.

Descubrir cómo aplicar este conocimiento, y cómo producir puntos cuánticos con proporciones elementales bien controladas, será "desafiante, "Grossman dice, "pero hay varias formas de controlar la superficie".

El descubrimiento fue una agradable sorpresa, Kim dice, señalando que los investigadores observaron inesperadamente el origen de los estados de trampa mientras estudiaban la forma en que los tratamientos superficiales afectarían al material. Pero ahora que han encontrado este factor clave, él dice, saben cuál es su objetivo en futuras investigaciones:"Los electrones estarán felices cuando la distribución ... sea la correcta, " él dice.

Giulia Galli, un profesor de física y química en la Universidad de California en Davis que no estaba relacionado con esta investigación, dice que es "un trabajo bastante creativo e importante, "y agrega que, "Estoy bastante seguro de que esto estimulará nuevos experimentos" para diseñar la estequiometría de los puntos cuánticos con el fin de controlar sus propiedades.

El artículo se titula "Impacto de la estequiometría en la estructura electrónica de los puntos cuánticos de PbS".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.