Colloïdale kwantumdots van gelijke grootte maken

Quantum dots (QD’s) zijn halfgeleiderdeeltjes met een diameter van slechts enkele nanometers die dankzij hun kleine formaat bijzondere optische en elektronische eigenschappen vertonen als gevolg van de kwantummechanica. Met bestaande en voorziene toepassingen in schermen, verlichting, lasers en het oogsten van energie, vordert het onderzoek naar kwantumstippen gestaag. Met name colloïdale QD’s (CQD’s) staan ​​al meer dan tien jaar in de schijnwerpers van nanotechnologie.

CQD’s zijn halfgeleider nanokristallen die gemakkelijk kunnen worden geproduceerd uit op oplossingen gebaseerde processen, waardoor ze geschikt zijn voor massaproductie. Om echter op CQD gebaseerde apparaten optimaal te laten werken, moeten de kwantumdots monodispers zijn, dat wil zeggen dat ze allemaal dezelfde grootte moeten hebben. Als hun afmetingen niet gelijk zijn (polydispers), neemt de energetische stoornis in het opto-elektronische apparaat toe, wat op zijn beurt de prestaties ervan belemmert. Hoewel er enkele strategieën bestaan ​​om polydispersiteit in CQD’s te bestrijden, is het probleem lastiger te vermijden in op perovskiet gebaseerde CQD’s (Pe-CQD’s), die een zuiveringsstap met een anti-oplosmiddel vereisen. Deze stap leidt steevast tot agglomeratie van nanodeeltjes en uiteindelijk tot grote variaties in grootte tussen quantum dots.

Hoewel het misschien nodig is om goed gezuiverde monodisperse Pe-CQD’s te produceren om zeer efficiënte zonnecellen te produceren, heeft niemand de relatie tussen polydispersiteit en fotovoltaïsche (conversie) prestaties zorgvuldig onderzocht. Om deze kennislacune op te vullen, leidden Dr. Younghoon Kim en assistent-professor Jongmin Choi van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, Korea, onlangs een team van wetenschappers in een studie die werd gepubliceerd in ACS Energiebrieven. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd gelpermeatiechromatografie om nanodeeltjes te ‘filteren’ en te groeperen op basis van hun grootte, zoals bevestigd door verschillende metingen van hun optische eigenschappen en transmissie-elektronenmicroscopie. Met deze aanpak slaagden ze erin om suspensies van Pe-CQD’s met verschillende graden van polydispersiteit te verkrijgen.

Daarna gebruikten ze deze suspensies om zonnecellen te fabriceren en het verband tussen polydispersiteit en prestaties aan te tonen. Zoals verwacht resulteerde de monodisperse suspensie in een betere zonnecel dankzij het homogene energielandschap, wat leidde tot een hogere lichtabsorptie binnen de optimale frequentieband. “Met de monodisperse Pe-CQD’s bereikten onze zonnecellen een energieconversie-efficiëntie van 15,3% en een nullastspanning van 1,27 V. Deze waarden zijn de hoogste ooit gerapporteerd voor Pe-CQD’s op basis van CsPbI₃, de perovskiet die we gebruikten”, benadrukt Dr. Kim.

Over het algemeen is deze studie een springplank op het gebied van zonnecellen op basis van Pe-CQD’s, die nog steeds beter moeten presteren dan hun op silicium gebaseerde tegenhangers om commercialisering te rechtvaardigen. “Onderzoek naar Pe-CQD-zonnecellen begon ongeveer vier jaar geleden, dus verdere studies zijn nodig om de prestaties en stabiliteit van het apparaat te verbeteren. Toch maakt onze aanpak voor het minimaliseren van energetische stoornissen met behulp van monodisperse Pe-CQD’s de weg vrij om hun potentieel in opto-elektronische toepassingen verder te ontwikkelen ”, besluit Dr. Choi.