В группе Минюн Хана (Mingyong Han) разработан новый способ получения высококачественных наноразмерных гетеропереходов, что, в будущем, позволит разработать более эффективные фотогальванические устройства.

Одна из главных задач, которую решают инженеры, стремящиеся добиться максимальной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую – предотвращение рекомбинации свободных зарядов, образующихся при взаимодействии электромагнитного излучения с солнечной батареей.

Один из способов решения этой задачи – создание в солнечной батарее гетероперехода между полупроводниками, различающимися типом проводимости (электронной или дырочной). Такой тип гетероперехода позволяет электронам и дыркам, образовавшимся в результате взаимодействия света с солнечной панелью, покидать солнечную батарею, двигаясь в противоположных направлениях через границу раздела фаз гетероперехода.

В группе Минюн Хана (Mingyong Han) разработан новый способ получения высококачественных наноразмерных гетеропереходов, что, в будущем, позволит разработать более эффективные фотогальванические устройства.

Рис. 1. Изображение двухкомпонентной
шестиугольной нанопластины, полученное
с помощью просвечивающей электронной
микроскопии показывает распределение
кадмия (синий участок) и меди (красный).
(Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (7),
 2052).

Наноразмерные кристаллы полупроводника обеспечивают повышенную площадь поверхности для поглощения света, их производство обходится дешевле, чем обычное производство солнечных батарей с помощью литографических методов. Однако для таких структур очень сложно получить высококачественный гетеропереход между n- и p-типами полупроводника, такой переход в идеале должен обеспечивать максимальный контакт между двумя типами полупроводников.

Исследователи пришли к выводу, что образование гетероперехода должно осуществляться химическим путем. Ранее уже были получены бинарные сферические нанокристаллы, построенные по принципу ядро-оболочка, однако, к сожалению, гетеропереход таких нанокристаллов характеризуется низким коэффициентом полезного действия, поскольку свет с трудом проникал к ядру системы. Хан с соавторами решил преодолеть проблему, избрав другой метод синтеза нанокомпозита.

На первом этапе исследователи использовали смесь поверхностно-активных веществ, получив с ее помощью сульфид смешанновалентной меди (CuxS), хорошо известный полупроводник p-типа, в форме четких однородных шестиугольных пластин шириной около 40 нанометров и толщиной около 15 нанометров. Правильная форма частиц из сульфида меди позволила использовать их в качестве центров нуклеации на внешних гранях шестиугольников сульфида кадмия (CdS) – типичного полупроводника n-типа.

На следующем этапе с помощью процесса катионного обмена исследователи добились того, что кристаллы n-полупроводника росли «внутрь», в результате чего часть CuxS превращались в CdS. Хан утверждает, что образующиеся в результате катионного обмена нано-гетероструктуры сохраняли морфологию исходного материала. Оптимизация условий реакции позволила исследователям превратить шестиугольную нанопластину в идеально симметричный гетеропереход (см. изображение выше).

Хан уверен, что гетероструктура CuxS–CdS может применяться в изготовлении солнечных батарей благодаря наличию доступной для света поверхности и энергетической зоны, позволяющей добиться разделения заряда. Исследователи полагают, что новая методика one-pot окажется полезной для синтеза и других полупроводниковых пар.

Результаты своих исследований ученые представили в статье:

Michelle D. Regulacio, Chen Ye, Suo Hon Lim, Michel Bosman, Lakshminarayana Polavarapu, Wei Ling Koh, Jie Zhang, Qing-Hua Xu, and Ming-Yong Han One-Pot Synthesis of Cu1.94S−CdS and Cu1.94S−ZnxCd1−xS Nanodisk Heterostructures. – J. Am. Chem. Soc. – 2011. – 133 (7). – pp 2052–2055; DOI: 10.1021/ja1090589; Publication Date (Web): January 31, 2011.