Ведется анализ эффективности структур солнечных батарей

Симуляции помогают ученым из Северной и Южной Дакоты решить, какая именно технология поможет изготовить более совершенный солнечный коллектор — квантовая точка или нанопровод.

Трое ученых из университета штата Северная Дакота и университета Южной Дакоты обратились к компьютерной симуляции, чтобы решить, какой из двух конкурирующих материалов должен использоваться для сбора солнечной энергии, в составе солнечных панелей будущего — квантовые точки или нанопровода.

Андрей Крыжевски с коллегами Дмитрием Килиным и Светланой Килиной в издании Journal of Renewable and Sustainable Energy сообщили, что использовали компьютерные химические симуляции для прогнозирования электронных и оптических свойств трех типов наноразмерных кремниевых структур с потенциальным применением для сбора солнечной энергии: квантовой точки, одномерных цепей квантовых точек или нанопровода. Способность поглощать свет существенно увеличивается в наноматериалах по сравнению с используемыми в обычных полупроводниках. Определение формы — квантовая точка или нанопровод — максимизирует это преимущество, что и является целью числового эксперимента, проведенного тремя учеными.

«Мы применили теорию функциональной плотности, компьютерный подход, который позволяет предсказывать электронные и оптические свойства, отражающие, насколько хорошо наночастицы способны поглощать свет, и как на эффективность влияет взаимодействие между квантовыми точками и беспорядок в их структуре», сказал Крыжевски. „Так мы сможем предсказать, как квантовые точки, цепи квантовых точек и нанопровода будут вести себя в реальных условиях, прежде чем синтезируем их и экспериментально проверим их свойства“.

Симуляции, сделанные Крыжевски и Килиными, показали, что поглощение света кремниевыми цепями квантовых точек существенно возрастает с увеличением взаимодействия между отдельными наносферами в цепи. Ученые также выяснили, что поглощение света цепями квантовых точек и нанопроводами строго основано на том, насколько выровнена структура в соответствии с направлением ударяющихся фотонов. Наконец, ученые установили, что расстройство атомной структуры в аморфных наночастицах приводит к более эффективному поглощению света с более низкими энергиями по сравнению с наноматериалами на основе кристаллов.

«Основываясь на наших результатах, мы полагаем, что помещение аморфных квантовых точек во множество или слияние их в нанопровод является оптимальным для максимизации эффективности кремниевых наноматериалов в части поглощения света и передачи заряда в фотогальванической системе», отметил Крыжевски. „Однако наше исследование — лишь первый шаг в рамках всестороннего компьютерного исследования свойств полупроводниковых собраний квантовых точек“.

Далее ученые намерены построить более реалистичные модели, такие как большие квантовые точки с поверхностями, покрытыми органическими лигандами, и надеются моделировать процессы, которые имеют место в солнечных батареях.