Une voie potentielle pour identifier les imperfections et améliorer la qualité des nanomatériaux à utiliser dans les cellules solaires de nouvelle génération a émergé d'une collaboration entre l'Université de l'Oregon et des chercheurs de l'industrie.

Pour augmenter l'efficacité de récolte de la lumière des cellules solaires au-delà de la limite du silicium d'environ 29 %, les fabricants ont utilisé des couches de nanocristaux semi-conducteurs synthétisés chimiquement. Les propriétés des points quantiques produits sont manipulées en contrôlant le processus de synthèse et la structure chimique de la surface.

Ce processus, cependant, crée des imperfections au niveau des états de piège formant la surface qui limitent les performances de l'appareil. Jusque récemment, les améliorations de la qualité de la production se sont appuyées sur le retour d'informations fourni par les techniques de caractérisation traditionnelles qui sondent les propriétés moyennes d'un grand nombre de points quantiques.

"Nous voulons utiliser ces matériaux dans de vrais appareils, mais ils ne sont pas encore optimisés, " a déclaré le co-auteur Christian F. Gervasi, un doctorant de l'UO.

Dans leur étude, détaillé dans le Journal des lettres de chimie physique , les chercheurs ont étudié les états électroniques des nanocristaux de sulfure de plomb. En utilisant un microscope à effet tunnel spécialement conçu, les chercheurs ont créé des cartes à l'échelle atomique de la densité d'états dans des nanocristaux individuels. Cela leur a permis de localiser les énergies et la localisation des pièges de charge associés aux défauts de la structure de surface des nanocristaux qui sont préjudiciables à la propagation des électrons.

Le microscope a été conçu dans le laboratoire du co-auteur George V. Nazin, professeur au Département de chimie et de biochimie de l'UO. Son utilisation a été décrite dans un article précédent dans le même journal, dans lequel les membres du laboratoire de Nazin ont pu visualiser les structures internes des ondes électroniques piégées par les charges électrostatiques externes dans les nanotubes de carbone.

"Cette technologie est vraiment cool, " a déclaré Peter Palomaki, scientifique senior pour Voxtel Nanophotonics et co-auteur du nouvel article. "Lorsque vous creusez vraiment dans la science à un niveau très fondamental, ce problème a toujours été une question ouverte. Ce document n'est que la pointe de l'iceberg pour comprendre ce qui se passe."

La perspicacité, il a dit, devrait aider les fabricants à peaufiner leur synthèse de nanocristaux utilisés dans une variété d'appareils électroniques. Co-auteur Thomas Allen, également scientifique senior chez Voxtel, D'accord. Le projet a commencé après qu'Allen ait entendu Gervasi et Nazin discuter des capacités du microscope.

"Nous voulions voir ce que le microscope pouvait accomplir, et il s'avère que cela nous donne beaucoup d'informations sur les états pièges et les profondeurs d'états pièges dans nos boîtes quantiques, " dit Allen, qui a rejoint Voxtel après avoir terminé le programme de stage industriel à l'Institut des sciences des matériaux de l'UO. « Les informations nous aideront à affiner la chimie du ligand pour fabriquer de meilleurs dispositifs pour le photovoltaïque, détecteurs et capteurs."

Les états de piège vus par le microscope dans ce projet peuvent expliquer pourquoi les cellules solaires à base de nanoparticules n'ont pas encore été commercialisées, dit Nazin.

« Les nanoparticules ne sont pas toujours stables. C'est un problème fondamental. Lorsque vous synthétisez quelque chose à cette échelle, vous n'obtenez pas nécessairement la même structure pour tous les points quantiques. Travailler à l'échelle atomique peut produire de grandes variations dans les états électroniques. Notre outil nous permet de voir ces états directement et nous permet de donner un retour sur les matériaux."