El nanocable de silicio amorfo (red amarilla) facilita la recolección de energía solar en forma de fotón (línea ondulada). En el proceso de absorción de luz se crea un par de portadores de carga móviles (las nubes rojas representan un electrón manchado en el espacio, mientras que las nubes azules visualizan el llamado agujero que es un portador cargado positivamente). La energía de su movimiento dirigido se transforma luego en electricidad. Las distribuciones de carga de electrones y huecos a menudo se encuentran en diferentes regiones del espacio debido a múltiples defectos estructurales en los nanocables de silicio amorfo. Crédito:A.Kryjevski, S.Kilina y D.Kilin / JRSE
Un trío de investigadores de la Universidad Estatal de Dakota del Norte y la Universidad de Dakota del Sur han recurrido al modelado por computadora para ayudar a decidir cuál de los dos materiales competidores debería tener su día en el sol como la tecnología de recolección de energía a nanoescala de los futuros paneles solares:puntos cuánticos o nanocables.
Andrei Kryjevski y sus colegas, Dimitri Kilin y Svetlana Kilina, informe en AIP Publishing's Revista de energías renovables y sostenibles que utilizaron modelos de química computacional para predecir las propiedades electrónicas y ópticas de tres tipos de estructuras de silicio a nanoescala (mil millonésimas de metro) con una aplicación potencial para la recolección de energía solar:un punto cuántico, cadenas unidimensionales de puntos cuánticos y un nanoalambre. La capacidad de absorber luz se mejora sustancialmente en los nanomateriales en comparación con los que se utilizan en los semiconductores convencionales. Determinar qué forma (puntos cuánticos o nanoalambres) maximiza esta ventaja fue el objetivo del experimento numérico realizado por los tres investigadores.
"Utilizamos la teoría funcional de la densidad, un enfoque computacional que nos permite predecir propiedades electrónicas y ópticas que reflejan qué tan bien las nanopartículas pueden absorber la luz, y cómo esa eficacia se ve afectada por la interacción entre los puntos cuánticos y el desorden en sus estructuras, "Dijo Kryjevski." De esta manera, podemos predecir cómo los puntos cuánticos, las cadenas de puntos cuánticos y los nanocables se comportarán en la vida real incluso antes de que se sinteticen y se comprueben experimentalmente sus propiedades de funcionamiento ".
Las simulaciones realizadas por Kryjevski, Kilin y Kilina indicaron que la absorción de luz por las cadenas de puntos cuánticos de silicio aumenta significativamente con el aumento de las interacciones entre las nanoesferas individuales en la cadena. También encontraron que la absorción de luz por las cadenas de puntos cuánticos y los nanocables depende en gran medida de cómo se alinea la estructura en relación con la dirección de los fotones que la golpean. Finalmente, Los investigadores descubrieron que el desorden de la estructura atómica en las nanopartículas amorfas da como resultado una mejor absorción de luz a energías más bajas en comparación con los nanomateriales de base cristalina.
"Según nuestros hallazgos, Creemos que poner los puntos cuánticos amorfos en una matriz o fusionarlos en un nanocable son los mejores conjuntos para maximizar la eficiencia de los nanomateriales de silicio para absorber la luz y transportar la carga a través de un sistema fotovoltaico, ", Dijo Kryjevski." Sin embargo, Nuestro estudio es solo un primer paso en una investigación computacional integral de las propiedades de los ensamblajes de puntos cuánticos de semiconductores.
"Los próximos pasos son crear modelos más realistas, como puntos cuánticos más grandes con sus superficies cubiertas por ligandos orgánicos y simulan los procesos que ocurren en las células solares reales, "añadió.
