Исследователи из Канады разработали новый класс стабильных на воздухе светочувствительных наночастиц, известных также, как коллоидные квантовые точки. Квантовые устройства, изготовленные из этих структур, отличаются высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество, более чем на 8% превышающей эффективность созданных ранее конструкций.

Коллоидные квантовые точки представляют собой полупроводниковые частицы, диаметр которых не превышает нескольких нанометров. Они могут быть синтезированы из раствора, а значит, пленки, состоящие из подобных частиц, могут легко наноситься на всевозможные гибкие или жесткие подложки (по принципу краски или чернил).

Коллоидные квантовые точки могут использоваться в качестве компонента, поглощающего свет, в дешевых, но, в то же время, высокоэффективных неорганических солнечных батареях. В таких солнечных элементах фотоны, попав в фотоэлектрический материал, инициируют появление пары свободных носителей заряда – электрона и дырки проводимости, энергия которых равна или превышает энергию так называемой запрещенной зоны данного материала.

Одним из преимуществ использования коллоидных квантовых точек в качестве фотогальванического материала является их способность поглощать свет в широком диапазоне длин волн, благодаря возможности настройки ширины запрещенной зоны (с помощью простого изменения размеров наночастиц ширина запрещенной зоны может варьироваться в большом диапазоне энергий).

Устройства, изготовленные из подобных квантовых точек, требуют высокого качества наноструктур. Причем, в таком слое должны быть представлены коллоидные наночастицы как n-типа (с избытком свободных электронов), так и p-типа (с недостатком электронов по сравнению с дырками проводимости).

Наличие обоих «сортов» наночастиц в устройстве позволяет повысить эффективность поглощения света фотоэлектрическим слоем.

Но основная проблема заключается в том, что коллоидные наночастицы, изготовленные из полупроводников n-типа, легко окисляются на воздухе. Связываясь с атомами кислорода из воздуха, такие наночастицы отдают свои «лишние» электроны и превращаются в полупроводники p-типа. В своей последней работе группа ученых из University of Toronto (Канада) предложила решение этой проблемы.

Исследователи из Канады предложили новый тип коллоидных квантовых точек n-типа, которые не связываются с молекулами кислорода при контакте с воздухом. Используя теорию функционала плотности, ученые выявили неорганические вещества, обеспечивающие пассивацию, т.е. связывающиеся с поверхностью коллоидных наночастиц и препятствующие таким образом окислению.

Результаты этого моделирования они использовали для разработки методики производства стабильных на воздухе коллоидных квантовых точек n-типа.

В рамках своей работы исследователи использовали разработанный материал для изготовления устройств, преобразующих солнечную энергию в электричество, которые могут похвастаться самой высокой плотностью тока на фоне других подобных структур (создаваемых на основе коллоидных наночастиц другого типа).

Причем, эффективность преобразования энергии из солнечной в электрическую им удалось поднять более чем на 8%.

На сегодняшний день большая часть солнечных батарей изготавливается из сравнительно тяжелых кристаллических материалов. Но работа ученых доказала, что такие легкие и универсальные материалы, как покрытия из коллоидных наночастиц, потенциально могут быть экономически конкурентоспособными на фоне традиционных технологий. Предложенная исследователями новая форма твердого и стабильного светочувствительного материала может найти применение в недорогих солнечных батареях на гибких подложках, в том числе, на гибких кровельных покрытиях. Также подобные структуры позволяют создавать отличные датчики для обнаружения различных газов, к примеру, NO₂.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials.