Трое исследователей из университетов Северной и Южной Дакоты решили рассчитать с помощью компьютерного моделирования, какой нанотехнология будет лучше для аккумулирования энергии на солнечных батареях – точечные квантовые приборы (квантовые точки) или нанопровода. Андрей Крыжевский и его коллеги, Дмитрий и Светлана Килины, рассчитали методами вычислительной химии электронные и оптические свойства трех типов наномасштабных кремниевых структур – квантовой точки, одномерной цепи квантовых точек и нанопровода. Способность поглощать излучение у наноматериалов существенно выше, чем у обычных полупроводников. Но какая форма позволит взять максимум от этого преимущества?
«Мы применили теорию функции плотности. Этот вычислительный метод предсказывает поведение наноструктур еще до того, как они будут синтезированы и их рабочие характеристики пройдут экспериментальную проверку», – говорит Крыжевский.
Модель выявила значительный рост поглощения света кремниевыми квантовыми точками по мере интенсификации взаимодействий между отдельными наносферами в цепи. Поглощение света цепями квантовых точек также сильно зависит от выравнивания относительно направления попадающих на них фотонов. Наконец, беспорядочность атомной структуры в аморфных наночастицах приводит (при низком поступлении энергии) к лучшему поглощению света, чем в кристаллических наноматериалах.
«Лучший вариант сборки (чтобы увеличить способность кремниевых наноматериалов поглощать свет и переносить заряд по фотовольтаической системе) – это расставить аморфные квантовые точки в ряд, или слить их в нанопровод», – заявил Крыжевский.
«Следующим шагом будет создание более реалистических моделей – например, крупных точечных квантовых приборов, чья поверхность покрыта органическими лигандами – и моделирование процессов, происходящих в настоящих солнечных батареях», – добавил ученый. Данные исследования опубликованы в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy.