Las células solares hechas de puntos cuánticos de sulfuro de plomo podrían eventualmente ofrecer un alternativa más flexible a las fabricadas con silicona, pero actualmente son mucho menos eficientes. Sin embargo, alterar la composición química de las células solares de puntos cuánticos ofrece una forma de ajustarlas para alcanzar mayores eficiencias, Patrick R. Brown, estudiante de posgrado en física del MIT, dice.

"En lugar de comenzar con una tecnología de alta eficiencia y luego intentar abaratarla, que es lo que estamos haciendo ahora con el silicio, Nuestro plan es comenzar con algo que sepamos que podríamos hacer de manera económica y ver si podemos hacerlo más eficiente. "Brown explica.

El sulfuro de plomo es abundante, que se encuentra naturalmente en el mineral galena, y el mundo produce actualmente suficiente plomo y azufre en el lapso de unas pocas semanas para construir células solares de sulfuro de plomo para suministrar toda la electricidad del mundo. Notas marrones. Otras alternativas al silicio, como el telururo de cadmio o el diselenuro de cobre, indio, galio (CIGS), tienen la desventaja de utilizar materiales de partida más costosos y menos abundantes. Los puntos cuánticos de sulfuro de plomo tienen otra ventaja sobre otras tecnologías emergentes de células solares de película delgada como los polímeros orgánicos y las perovskitas, ya que son estables en el aire.

"Me estoy concentrando en tratar de averiguar cuáles son las perillas que tenemos para activar este material que luego nos permitirán alcanzar una mayor eficiencia, "Dice Brown.

Los ligandos alteran los niveles de energía

Los puntos cuánticos son semiconductores cristalinos a nanoescala cuya banda prohibida cambia con su tamaño. La banda prohibida determina qué regiones del espectro solar, que contiene ultravioleta, visible, y luz infrarroja, que las células solares de puntos cuánticos pueden absorber y convertir en electricidad. La reciente investigación colaborativa de Brown con el profesor Vladimir Bulović del MIT y otros cinco demostraron cómo unir diferentes moléculas orgánicas, o ligandos, a la superficie de los puntos cuánticos pueden modificar su nivel de energía. Brown fabricó y estudió sus células solares de punto cuántico de sulfuro de plomo en el Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada de Bulović.

Cuando la luz solar incide en un semiconductor en una celda solar, puede excitar un electrón de su estado fundamental fuertemente ligado en la "banda de valencia" a estados menos ligados en la "banda de conducción, "donde los electrones pueden moverse libremente y generar una corriente eléctrica. Brown estudió la influencia que tienen diferentes ligandos químicos en las energías del estado fundamental de los electrones en la banda de valencia del punto cuántico. Usando una técnica conocida como espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta en el laboratorio de Profesor del MIT Marc A. Baldo, Brown midió las diferentes propiedades electrónicas de las películas de puntos cuánticos de sulfuro de plomo tratadas con 12 ligandos químicos diferentes. Los resultados muestran que estos ligandos de superficie actúan como diminutos dipolos eléctricos, el equivalente eléctrico del familiar imán de barra, y por lo tanto pueden influir en la energía de los electrones dentro de un punto cuántico.

Guiando un diseño eficiente

"En nuestro trabajo, mostramos que a medida que cambia los ligandos de superficie, puedes dejar la banda prohibida igual, pero cambia los niveles absolutos de energía, ", Dice Brown. La capacidad de ajustar tanto el tamaño del punto cuántico como la química de su superficie puede guiar el diseño de células solares eficientes y, finalmente, Dispositivos de múltiples uniones que absorben una mayor parte del espectro solar. "Con esta capacidad de ajustar los niveles de energía de los puntos cuánticos cambiando los ligandos, podemos asegurarnos de que no haya barreras energéticas en nuestro dispositivo y que los electrones tengan un camino energético descendente fuera del dispositivo, "Brown explica." La capacidad de ajustar estas propiedades mediante procesos químicos tan simples es lo que distingue a estos materiales, convirtiéndolos en una opción única y prometedora para su uso en células solares, "Dice Brown.

Brown y el estudiante de posgrado en ciencias de materiales del MIT, Donghun Kim, fueron coautores principales del artículo, "Modificación del nivel de energía en películas delgadas de punto cuántico de sulfuro de plomo mediante intercambio de ligandos, "publicado en ACS Nano en junio de 2014. Otros coautores fueron los profesores del MIT Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, y Moungi G. Bawendi, así como Richard R. Lunt, profesor asistente de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad Estatal de Michigan, y Ni Zhao, profesor asistente de ingeniería electrónica en la Universidad China de Hong Kong. Marrón, 27, está en su sexto año como estudiante de posgrado en física y espera obtener su doctorado durante 2015. Recibió su licenciatura en física y química en la Universidad de Notre Dame. Brown es miembro de la Fundación Nacional de Ciencias, así como miembro de la Fundación Fannie y John Hertz.

Kim utilizó simulaciones por computadora a escala atómica para modelar las interacciones de los ligandos químicos con la superficie del punto cuántico. Estas simulaciones explicaron un resultado clave del estudio, mostrando que los diferentes momentos dipolares eléctricos de los ligandos son responsables de los cambios en los niveles de energía de los puntos cuánticos. "Independientemente de la forma en que un ligando específico se une a la superficie del punto cuántico, Las simulaciones de Donghun mostraron un cambio en los niveles de energía que coincidía con los cambios que estábamos midiendo experimentalmente, "Dice Brown.

Satisfacer la demanda mundial

Abastecer una parte importante de la demanda energética mundial con energía fotovoltaica, sería necesario instalar decenas de miles de kilómetros cuadrados de células solares, Dice Brown. Las células solares basadas en silicio son eficientes y se vuelven más baratas a medida que se fabrican más, pero su naturaleza frágil significa que deben ser encapsulados por rígidos, marcos de aluminio y vidrio relativamente pesados. "La idea clave con los puntos cuánticos es que, en lugar de partir de grandes cristales de silicio que deben cortarse en obleas individuales, empezamos con cristales muy diminutos, aproximadamente 10 nanómetros de diámetro, que podemos disolver en solución e imprimir como una tinta. Entonces, en lugar de estar atados a estos sustratos de vidrio rígidos, eventualmente podríamos imprimir o rociar nuestras células solares sobre sustratos flexibles como imprimiría un periódico, "Dice Brown." Ese es el tipo de cosas que no podrías hacer con una oblea de silicio ".

Los puntos cuánticos tienen sus desventajas, por supuesto, razón por la cual esta tecnología aún no ha llegado al mercado. "Los electrones tienen más dificultades para saltar entre puntos cuánticos que para viajar a través de un cristal uniforme de silicio. Si bien los materiales que utilizamos son muy baratos, la dificultad para mover la carga a través de ellos conduce a bajas eficiencias de las células solares, "Brown dice. Por ejemplo, los electrones pueden quedar atrapados en las superficies de los puntos cuánticos. "Una cosa que queremos hacer es averiguar qué tipo de trucos químicos podemos realizar en la superficie del punto cuántico para deshacernos de esos estados trampa". " él dice.

El objetivo a largo plazo de la investigación es utilizar las propiedades electrónicas sintonizables para crear células solares de punto cuántico de sulfuro de plomo de mayor eficiencia que sean flexibles y puedan fabricarse a bajo costo. Dice Brown.

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.