As células solares feitas de pontos quânticos de sulfeto de chumbo podem eventualmente oferecer um método mais barato, alternativa mais flexível para aqueles feitos com silício, mas atualmente são muito menos eficientes. Contudo, alterar a composição química das células solares de pontos quânticos oferece uma maneira de ajustá-las para alcançar eficiências mais altas, O estudante de pós-graduação em física do MIT, Patrick R. Brown, diz.

"Em vez de começar com uma tecnologia de alta eficiência e depois tentar torná-la mais barata, que é o que estamos fazendo agora com o silício, nosso plano é começar com algo que sabemos que poderíamos fazer mais barato e ver se poderíamos torná-lo mais eficiente, "Brown explica.

O sulfeto de chumbo é abundante, ocorrendo naturalmente no mineral galena, e o mundo atualmente produz chumbo e enxofre suficientes no espaço de algumas semanas para construir células solares de sulfeto de chumbo para fornecer toda a eletricidade do mundo, Notas de Brown. Outras alternativas ao silício, como telureto de cádmio ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), têm a desvantagem de usar materiais de partida mais caros e menos abundantes. Os pontos quânticos de sulfeto de chumbo têm outra vantagem sobre outras tecnologias emergentes de células solares de filme fino, como polímeros orgânicos e perovskitas, pois são estáveis ​​no ar.

"Estou me concentrando em tentar descobrir quais são os botões que temos para ligar este material que nos permitirão obter maior eficiência, "Brown diz.

Ligantes alteram os níveis de energia

Os pontos quânticos são semicondutores cristalinos em nanoescala cujo bandgap muda com o tamanho. O bandgap determina quais regiões do espectro solar - que contém ultravioleta, visível, e luz infravermelha - que as células solares de pontos quânticos podem absorver e converter em eletricidade. A recente pesquisa colaborativa de Brown com o professor Vladimir Bulović do MIT e cinco outros demonstrou como ligar diferentes moléculas orgânicas, ou ligantes, à superfície dos pontos quânticos pode modificar seu nível de energia. Brown fabricou e estudou suas células solares de pontos quânticos de sulfeto de chumbo no Laboratório de Eletrônica Orgânica e Nanoestruturada de Bulović.

Quando a luz solar atinge um semicondutor em uma célula solar, ele pode excitar um elétron de seu estado fundamental fortemente ligado na "banda de valência" para estados menos fortemente ligados na "banda de condução, "onde os elétrons podem se mover livremente e gerar uma corrente elétrica. Brown estudou a influência que diferentes ligantes químicos têm nas energias do estado fundamental dos elétrons na banda de valência dos pontos quânticos. Usando uma técnica conhecida como espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta no laboratório de Professor Marc A. Baldo do MIT, Brown mediu as diferentes propriedades eletrônicas de filmes de pontos quânticos de sulfeto de chumbo tratados com 12 ligantes químicos diferentes. Os resultados mostram que esses ligantes de superfície agem como minúsculos dipolos elétricos - o equivalente elétrico do familiar ímã em barra - e, portanto, podem influenciar a energia dos elétrons dentro de um ponto quântico.

Guia de design eficiente

“No nosso trabalho, mostramos que, à medida que você muda os ligantes de superfície, você pode deixar o bandgap do mesmo jeito, mas mude os níveis absolutos de energia, "Brown diz. A capacidade de ajustar o tamanho do ponto quântico e sua química de superfície pode orientar o design de células solares eficientes e, eventualmente, dispositivos com várias junções que absorvem mais do espectro solar. "Com essa capacidade de ajustar os níveis de energia dos pontos quânticos, alterando os ligantes, podemos ter certeza de que não há barreiras energéticas em nosso dispositivo e que os elétrons têm um caminho energético descendente para fora do dispositivo, "Brown explica." A capacidade de ajustar essas propriedades usando tais processos químicos simples é o que diferencia esses materiais, tornando-os uma escolha única e promissora para uso em células solares, "Brown diz.

Donghun Kim, estudante de graduação em ciência de materiais do MIT, foi co-autor do artigo, "Modificação do nível de energia em filmes finos de pontos quânticos de sulfeto de chumbo por meio de troca de ligante, "publicado na ACS Nano em junho de 2014. Outros co-autores foram os professores do MIT Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, e Moungi G. Bawendi, bem como Richard R. Lunt, professor assistente de engenharia química e ciência dos materiais na Michigan State University, e Ni Zhao, professor assistente de engenharia eletrônica na Universidade Chinesa de Hong Kong. Marrom, 27, está em seu sexto ano como estudante de graduação em física e espera obter seu doutorado em 2015. Ele recebeu seu bacharelado em física e química pela Universidade de Notre Dame. Brown é bolsista da National Science Foundation e também Fannie e John Hertz Foundation Fellow.

Kim usou simulações de computador em escala atômica para modelar as interações dos ligantes químicos com a superfície do ponto quântico. Essas simulações explicaram um resultado importante do estudo, mostrando que os diferentes momentos de dipolo elétrico dos ligantes são responsáveis ​​pelas mudanças nos níveis de energia dos pontos quânticos. "Independentemente da forma como um ligante específico se liga à superfície do ponto quântico, As simulações de Donghun mostraram uma mudança nos níveis de energia que combinava com as mudanças que estávamos medindo experimentalmente, "Brown diz.

Atendendo à demanda mundial

Para suprir a maior parte da demanda mundial de energia com energia fotovoltaica, seriam necessárias dezenas de milhares de quilômetros quadrados de células solares, Brown diz. As células solares à base de silício são eficientes e ficam mais baratas à medida que mais são feitas, mas sua natureza frágil significa que eles devem ser encapsulados por rígidos, armações de alumínio e vidro relativamente pesadas. "A ideia principal com os pontos quânticos é que, em vez de partir de grandes cristais de silício que devem ser cortados em bolachas individuais, começamos com cristais muito pequenos, cerca de 10 nanômetros de diâmetro, que podemos dissolver em solução e imprimir como uma tinta. Então, em vez de ser amarrado a esses substratos de vidro rígido, poderíamos, eventualmente, ser capazes de imprimir ou pulverizar nossas células solares em substratos flexíveis como você imprimiria um jornal, "Brown diz." Esses são os tipos de coisas que você não seria capaz de fazer com um wafer de silício. "

Os pontos quânticos têm suas desvantagens, claro, é por isso que essa tecnologia ainda não chegou ao mercado. "Os elétrons têm mais dificuldade em pular entre os pontos quânticos do que viajar através de um ponto puro, cristal uniforme de silício. Embora os materiais que usamos sejam muito baratos, a dificuldade em mover a carga através deles leva a baixas eficiências de células solares, "Brown diz. Por exemplo, elétrons podem ficar presos nas superfícies dos pontos quânticos. "Uma coisa que queremos fazer é descobrir que tipo de truques químicos podemos usar na superfície do ponto quântico para nos livrarmos desses estados de armadilha, " ele diz.

O objetivo de longo prazo da pesquisa é usar as propriedades eletrônicas ajustáveis ​​para fazer células solares de pontos quânticos de sulfeto de chumbo de alta eficiência que sejam flexíveis e capazes de ser fabricadas a baixo custo, Brown diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.