En ny type hybridkolloide kvanteprikker/organiske solceller

Løsningsbehandlede halvledere, inklusive materialer såsom perovskiter og kvanteprikker (dvs. små stofpartikler i kvantestørrelsesregimet), er stoffer med en ledningsevne, der spænder mellem isolatorernes og de fleste metals. Denne type halvledere har vist sig at være særligt lovende for udviklingen af ​​nye optoelektroniske enheder, der fungerer godt og har lave produktionsomkostninger.

For nylig, nogle undersøgelser har fremhævet fordelene ved at fremstille halvledere ved at kombinere kolloide kvantepunkter (CQD'er), nanopartikler, der kan høste infrarøde fotoner, og organiske kromoforer, dele af et molekyle, der absorberer synlige lysfotoner og giver farve til molekylet. Ikke desto mindre, indtil nu, hybrid fotovoltaik baseret på CQD'er og kromoforer har kun opnået effektkonverteringseffektiviteter (PCE'er) under 10 procent på grund af et kemisk misforhold mellem forskellige komponenter og udfordringer med at muliggøre ladningsopsamling.

Forskere ved University of Toronto og KAIST i Sydkorea har for nylig udviklet en hybridarkitektur, der overvinder disse begrænsninger ved at introducere små molekyler i en CQD/organisk stablet struktur. De hybride solceller, de skabte, præsenteret i et papir udgivet i Naturenergi , opnået bemærkelsesværdige PCE'er, der bibeholdes selv efter lange perioder med kontinuerlig drift.

"Den første udfordring i denne undersøgelse var at kombinere fordelene ved det brede fotoabsorberende bånd af CQD'er og den stærke (men smallere) absorptionskoefficient for organiske molekyler for at skabe en fotovoltaisk platform med højere ydeevne, "Se-Woong Baek, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore.

Forskerne hentede inspiration fra en undersøgelse udført af et forskerhold ved Berkeley National Laboratory for næsten to årtier siden, som demonstrerede potentialet i at bruge halvleder nanorods og polymerer til at fremstille hybride solceller. Mens teamet på Berkeley Lab og flere andre forsøgte at kombinere organiske molekyler med CQD'er, Baek og hans kolleger følte, at dette var svært at opnå, da enhedens ydeevne opnået af deres hybridarkitekturer var lavere end typiske organiske eller kun CQD-halvledere. Dermed, de satte sig for at undersøge potentialet for CQD/organiske halvledere yderligere, forsøger at overvinde begrænsningerne ved tidligere udviklede arkitekturer.

For at solceller kan fungere godt, de skal være i stand til at maksimere lysabsorptionen og effektivt omdanne det til elektrisk strøm. Hybridsolcellerne udviklet af Baek og hans kolleger har en lille molekylebro, der komplementerer CQD-absorption, hvilket igen skaber en excitorkaskade med værtspolymeren. Dette resulterer i en mere effektiv energioverførsel end den, der observeres i andre hybridarkitekturer.

"Den struktur, vi udviklede, kan opnå høj lyshøstningseffektivitet via et ekstra organisk lag, som har en stærk absorptionskoefficient på sin bagside og en primær bredbåndsabsorption af CQD nær sin forside, " forklarede Baek. "Den stærkeste fordel ved de resulterende solceller er, at de giver os mulighed for at programmere fotoresponsen af ​​CQD ved at ændre størrelsen og kombinere den med passende organiske molekyler."

Den unikke struktur af solcellerne udviklet af Baek og hans kolleger giver større frihed i programmeringen af ​​deres funktioner sammenlignet med andre typer hybride solceller. Ud over, det giver solcellerne mulighed for at opretholde en god effektivitet over længere perioder med kontinuerlig drift.

"Mange tidligere undersøgelser har rapporteret bred og høj absorbans gennem en kombination af CQD og polymerer, men deres ydeevne var mindre effektiv på grund af den lave ladningsekstraktionseffektivitet, " sagde Baek. "Ved at introducere den tredje komponent, en lille molekylebro, ind i CQD/polymer hybrid heterostruktur, vi afslørede en underliggende mekanisme, der letter ladningsekstraktion og absorption, derved forbedre PCE'er. "

I fremtiden, disse solceller kunne bruges til at fremstille fotovoltaiske paneler, der bruger både kvanteprikker og kromoforer, men der opnår højere effektivitet end dem, der er observeret i tidligere udviklede hybridarkitekturer. Indtil nu, den CQD-organiske struktur, de foreslog, har et absorptionsbånd på op til 1100 nanometer. I deres næste studier, de vil derfor gerne tilpasse strukturen eller udvikle alternative hybridarkitekturer for at opnå bredere absorptionsbånd.

"Til sidst, denne struktur kunne kombineres med perovskit-solceller med faktisk høje båndgab, for eksempel, ved at designe en bagcelleplatform som en tandemstruktur, der kan forstærke absorptionen af ​​det nær-infrarøde bånd, hvor perovskit ikke absorberer, " sagde Baek. "Teoretisk set, en effektivitet på 15 procent kan tilføjes til perovskit-solcellen, når vi kombinerer vores hybridstruktur som en bagcelle med tandemstruktur."

© 2019 Science X Network