Vienas iš pagrindinių uždavinių, kuriuos siekia įgyvendinti saulės energetikos inžinieriai, yra kaip įmanoma labiau padidinti įrenginių veikimo efektyvumą neleidžiant įvykti laisvųjų krūvininkų, susidarančių šviesai paveikus saulės elementą, rekombinacijai. Galimas sprendimo būdas – įvairialytės sandūros įterpimas tarp saulės elemento teigiamos (p) ir neigiamos (n) rūšies puslaidininkių.
Tai leistų šviesos sužadintiems teigiamiems ir neigiamiems krūvininkams palikti elementą įvairialytėje sandūroje pasukant priešingomis kryptimis.
Mingjongas Hanas (Mingyong Han) kartu su savo kolegomis iš Medžiagų tyrimo ir inžinerijos instituto (Singapūras) visai neseniai atrado būdą, leidžiantį pagaminti aukštos kokybės nanomastelines įvairialytes sandūras. Tai rimtas pigesnių ir našesnių fotovoltinių elementų kūrimo postūmis.
Nanomasteliniai puslaidininkiniai kristalai pasižymi didesniu paviršiaus plotu, tinkamu šviesos sugerčiai, be to, juos gaminti yra pigiau už įprastines litografines struktūras. Vis dėlto ilgą laiką buvo nepaprastai sudėtinga suformuoti aukštos kokybė įvairialytes sandūras tarp elektroninių (n) ir skylinių (p) puslaidininkių taip, kad būtų sudarytas artimas tarpkristalinis kontaktas, būtinas didesniam prietaiso našumui užtikrinti.
Tam, kad šitas galvosūkis būtų įveiktas, reikėjo sugalvoti metodą, leidusį du puslaidininkius susieti chemiškai. Ankstesnių tyrimų metu mokslininkai sukūrė dvigubuosius nanokristalus, turinčius sferinę branduolio ir išorinio sluoksnio sandarą. Deja, įvairialytės šių nanokristalų pagrindu suformuotos sandūros pasižymi mažu energijos keitimo efektyvumu, nes šviesai sunkoka pasiekti vidinį branduolį. M. Hanui pavyko įveikti šį sunkumą, mat jis su kolegomis pritaikė kitokį sintezės mechanizmą.
Visų pirma, tyrėjai panaudojo aktyviųjų paviršiaus medžiagų mišinį, kad esant didelei temperatūrai išgautų vario (I) sulfidą (CuxS) – gerai žinomą skylinį puslaidininkį, kuris šiuo atveju įgijo atskirtų šešiakampių diskų (apie 40 nanometrų pločio ir 15 nanometrų storio) formą. Kadangi šių naujųjų medžiagų briaunų struktūra yra gerai pažįstama, tyrėjai neužtruko su elektroninio puslaidininkio kadmio sulfido (CdS) kristalizacijos ant išorinių kristalo sienelių procesu.
Toliau, pritaikę katijonų mainų metodą, mokslininkai privertė elektroninio laidumo kristalus augti į vidų, taip efektyviai chemiškai paversdami dalį CuxS diskų į CdS. „Šis mechanizmas leidžia susiformuoti nanomastelinėms įvairialytėms sandūroms, kurios pasižymi pradinių medžiagų morfologija“, – teigia M. Hanas. Kruopščiai optimizavę reakcijos sąlygas, specialistai šešiakampius nanodiskus pavertė idealiai simetriškomis įvairialytėmis sandūromis. Į šiuos darinius taip pat buvo įmaišyti ir cinko metalai, gerinantys elektrines savybes.
Kai pažymi M. Hanas, CuxS-CdS įvairialytė sandūra pravers tobulinant saulės energijos technologijas dėl savo iš abiejų pusių prieinamo paviršiaus bei energijos juostos struktūros, užtikrinančios reikiamą krūvininkų atskirtį. Mokslininkų komanda tikisi susintetinti keliolika naujų puslaidininkių porų taikydami šią technologiją ir išnaudodami neįprastas tokių sistemų kristalizacijos savybes.
