Kolloidal yarı iletken nanokristaller; yüzey kimyası, yakın kızılötesi ışığı soğurabilme yeteneği ve ayarlanabilir optoelektronik özellikleriyle güneş hücresi teknolojilerinde oldukça ilgi görmektedir. Kuantum noktaları olarak da adlandırılan kolloidal yarı iletken nanokristaller, 2-10 nm arasında değişen parçacık çaplarına sahiptir ve düz panel görüntüleme sistemleri, floresans görüntüleme, güneş pilleri, ışık yayan diyotlar, lazerler ve biyolojik tedaviler gibi birçok farklı alanda uygulamalara konu olmaktadır.1 Aynı zamanda yerkürede bol bulunan elementler içermesi de fotovoltaik geliştirmelerinde kolaylık sağlamaktadır.
Geleneksel güneş hücrelerinde kullanılan kurşun (Pb) veya kadmiyum (Cd) gibi ışık soğurucularının enerji üretimi sırasında toksik madde yayması sorun teşkil etmektedir.2 Bu sorunların etrafında çevre dostu bileşimi, düşük sıcaklıkta işlenebilirliği ve yüksek soğurma katsayısı ile AgBiS₂ (Gümüş-Bizmut-Sülfür) nanokristalleri oldukça dikkat çekmektedir. AgBiS₂ nanokristal bazlı güneş hücrelerinin diğer güneş hücrelerine kıyasla birçok avantajı olmasına rağmen daha düşük güç dönüşüm verimliliği sağlamaktadır. Bunun nedeni yüzey yapısının serbest taşıyıcı difüzyon uzunluğunu kısaltmasıdır.
Taşıyıcı difüzyon uzunluğu, bir yarı iletken malzemede bir elektrik taşıyıcısının tekrar birleşmeden önce katı içinde ortalama ne kadar mesafe katettiğini ifade eder. Güneş hücresine ışık düştüğünde, fotonlar elektron-delik çiftleri üretir. Bu taşıyıcıların, devreye katkı yapabilmeleri için tekrar birleşmeden önce elektrotlara ulaşmaları gerekir. Eğer taşıyıcılar çok erken sürede tekrar birleşirse, bu enerji boşa gider ve verim düşer. Sonuç olarak taşıyıcılar birleşmeden ne kadar uzun mesafe katediyorsa verimlilik de o kadar fazladır.
Son zamanlarda gerçekleştirilen bilimsel çalışmalarda AgBiS₂ nanokristali gibi malzemelerin yüzey özelliklerini geliştirebilmek için “ligand değişimi” ve donör ve akseptör karışımı (D/A) işlemlerinin güneş pili performansını artırdığı gözlemlenmiştir.
Ligand, bir nanokristalin yüzeyine bağlanarak onu kararlı tutan ve genellikle sentez sırasında kullanılan küçük moleküllerdir. AgBiS₂ nanokristali sentezlenirken üzerine yapışan ligandların sahip olduğu özellikler (Yalıtkan ve uzun zincirli bir yapıya sahiptir.) taşıyıcıların difüzyonunu zorlaştırır. Ligand değişimi işlemi sırasında uzun zincirli ligandlar daha kısa zincirli ligandlarla değiştirilir. Bu sayede daha iletken ve kusursuz bir yüzey elde edilerek performans artırılmış olur. Ligand değişimi için iki yöntem geliştirilmiştir. Bunlar Solid-State Ligand Exchange (SSLE) ve Solution-Phase Ligand Exchange (SPLE)’dir. SSLE yani katı ortamda ligand değişimi yönteminde kristal film yapıldıktan sonra üzerine ligand çözeltisi damlatılır, ligandlar yer değiştirir ve yüzeydeki uzun moleküller yerini kısa moleküllere bırakır. SPLE yani çözelti ortamında ligand değişimi yönteminde ise film yapılmadan önce, çözelti ortamında gerçekleştirilir. Nanokristaller kısa ligand içeren bir çözücüye alınmasıyla tüm ligandlar kısa ligandlara dönüşür ve çözelti film haline getirilir. Her iki yöntemde de %10’un üzerinde verim elde edilmiştir. Ancak SPLE, yüzeyi daha iyi düzenlediği için daha etkili kabul edilir.
Ligand değiştirme yöntemiyle aynı tür nanokristaller (AgBiS₂ nanokristalleri) ikiye ayrılarak bir kısmına Agl ve metilamonyum iyodür (MAI) gibi maddelerle ligand değiştirme yöntemi uygulanarak akseptör özellik, diğer kısmına ise 2-Mercaptoethanol (2ME) ile ligand değiştirme yöntemi uygulanarak donör özellik kazandırılıyor. Daha sonra iki farklı özelliğe sahip AgBiS₂ nanokristaller karıştırılarak yani donör ve akseptör karışımı (D/A) yöntemi uygulanarak birleştiriliyor.
İşlemler sonucunda oluşan madde, D/A-blended AgBiS₂ nanokristal filmi, iki farklı özelliği aynı anda taşıdığı için fotonlarca üretilen elektronlar ve delikler birbirlerinden daha kolay ayrışıyor. Bu da daha düşük yük rekombinasyonu oluşturarak verimi artırır. Aynı zamanda geleneksel hücreler ile karşılaştırıldığında daha çevre dostu ve uzun ömürlü olur. AgBiS₂ nanokristali, yapısı sayesinde ışığı iyi absorbe ederken geçirdiği işlemlerle bu özelliği katbekat artırır.3
Kaynaklar
- Kim, H. J., Park, J. Y., Choi, Y. J., Kim, S. K., Yong, T., Lee, W., Seo, G., Lee, E. J., Choi, S., You, H. R., Park, W. W., Yoon, S., Kim, W. H., Lim, J., Kim, Y., Kwon, O. H., & Choi, J. (2025). Homogeneously blended donor and acceptor AgBiS₂ nanocrystal inks enable high-performance, eco-friendly solar cells with enhanced carrier diffusion length. Advanced Energy Materials.
- Aydın, H. (2014). CdSe/ZnS kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu [Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi]. POLEN @ İTÜ.
- https://techxplore.com/news/2025-03-efficiency-boost-eco-friendly-solar.html