Esta ilustración muestra dos puntos cuánticos absorbentes de luz (esferas naranja / rojo) rodeados por un polímero conductor (estructura de "palo y bola"). La contracción del núcleo del punto cuántico mejora la transferencia de cargas eléctricas llamadas "agujeros" (h +) desde el punto cuántico al polímero. Los puntos cuánticos con transferencia de carga mejorada podrían encontrar aplicación en células solares fotovoltaicas.
(Phys.org) —Los puntos cuánticos, diminutos cristales semiconductores con diámetros medidos en mil millonésimas de metro, tienen un enorme potencial para aplicaciones que hacen uso de su capacidad para absorber o emitir luz y / o cargas eléctricas. Los ejemplos incluyen diodos emisores de luz (LED) de colores más vívidos, células solares fotovoltaicas, transistores a nanoescala, y biosensores. Pero debido a que estas aplicaciones tienen requisitos diferentes, a veces opuestos, encontrar formas de controlar las propiedades ópticas y electrónicas de los puntos es crucial para su éxito.
En un estudio recién publicado en la revista Comunicaciones químicas , científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Universidad de Stony Brook, y la Universidad de Syracuse muestran que la reducción del núcleo de un punto cuántico puede mejorar la capacidad de un polímero circundante para extraer cargas eléctricas generadas en el punto por la absorción de luz.
"Las células fotovoltaicas hechas de puntos cuánticos emparejados con materiales plásticos como polímeros conductores son mucho más fáciles de fabricar y menos costosas que las células solares convencionales basadas en silicio, "dijo Mircea Cotlet, un químico físico en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, quien dirigió el equipo de investigación. "Este tipo de materiales son económicos, fácil de sintetizar, y su montaje sería relativamente fácil ".
La desventaja es que ahora, Los dispositivos solares basados en silicio son inmejorables en términos de eficiencia. Pero la investigación dirigida a comprender el proceso fotovoltaico a nanoescala podría cambiar eso.
"La capacidad de producir y estudiar partículas individuales en el CFN nos permite observar y probar propiedades que serían borrosas, o promediado, en muestras más grandes, "dijo Huidong Zang, becario de investigación postdoctoral que trabaja con Cotlet y primer autor del artículo.
En una celda solar el material ideal absorbería mucha luz y convertiría eficientemente esa energía en cargas eléctricas que se pueden extraer fácilmente como corriente. Para estudiar los detalles de este proceso, Los científicos utilizaron puntos cuánticos compuestos por un núcleo de cadmio-selenio que absorbe la luz encerrado en una capa protectora de sulfuro de zinc y rodeado por un polímero conductor. Probaron la capacidad del polímero para extraer cargas eléctricas generadas cuando los puntos cuánticos absorbieron luz, y realizó experimentos utilizando puntos cuánticos con núcleos de diferentes tamaños.
Mircea Cotlet de CFN (de pie), postdoctorado Huidong Zang (centro), y Prahlad Kumar Routh, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad de Stony Brook, Esperamos que su investigación sobre puntos cuánticos para células solares ilumine nuestro futuro energético. Los científicos llevan las gafas de seguridad láser necesarias para sus experimentos.
"Sabíamos por las predicciones teóricas que el tamaño de las partículas debería tener un efecto en la transferencia de carga con el polímero, pero nadie había hecho esto como un experimento hasta ahora, y en particular a nivel de una sola partícula, "Dijo Cotlet.
Cuando variaron el tamaño del núcleo del punto cuántico, los científicos encontraron que cuanto menor es el diámetro, cuanto más eficiente y consistente sea el proceso de transferencia de carga.
"Al utilizar un núcleo más pequeño, aumentamos la eficiencia del proceso de transferencia de carga y reducimos la distribución de la tasa de transferencia de carga para que estuviera más cerca del ideal con menos variabilidad, "Dijo Zang.
Los científicos estaban explorando un tipo particular de transferencia de carga creada por el movimiento de "huecos", áreas de carga positiva creadas por la ausencia de electrones cargados negativamente. En dispositivos electrónicos, los agujeros se pueden canalizar como los electrones para crear corriente eléctrica. Y en este caso, la extracción de agujeros tuvo un beneficio adicional:aumentó el tiempo que los puntos cuánticos, que se encienden y apagan en un patrón de parpadeo, permaneció en la condición "on".
"La transferencia de agujeros inhibe el parpadeo, ", Dijo Cotlet." Mantiene el punto cuántico ópticamente activo durante más tiempo, que es mejor para el proceso fotovoltaico, porque las cargas solo se pueden extraer cuando el punto cuántico está encendido ".
"Sería imposible ver este efecto con muestras a granel porque no se pueden ver los estados 'encendido' y 'apagado'. Cuando se mezclan muchos puntos cuánticos, las señales promedian. Solo puedes verlo mirando las nanopartículas individuales ".
El grupo de Cotlet había realizado previamente un estudio similar emparejando puntos cuánticos con buckybolas ricas en carbono. En ese estudio, encontraron el efecto opuesto:las Buckyballs reducían el tiempo de "encendido" de los puntos mientras mejoraban la transferencia de electrones.
En otras aplicaciones peinando puntos y polímeros, como LED o biosensores, Los científicos están buscando formas de suprimir la transferencia de carga a medida que este proceso se vuelve perjudicial.
"Conocer estos fundamentos y cómo controlar estos procesos a nanoescala debería ayudarnos a optimizar el uso de puntos cuánticos para una amplia gama de aplicaciones, "Dijo Cotlet.
