Quantum dot solcelleanlæg gør et varigt indtryk

En proces udviklet hos KAUST til afsætning af ekstremt tynde og glatte film kan gøre det nemmere at fremstille stabile solceller baseret på kvantepunktteknologi.

Kolloide kvanteprikker er små halvlederpartikler, der er i stand til at absorbere lys over en bred vifte af bølgelængder. Fordi disse prikker er nemme at blande i flydende opløsningsmidler, forskere har brugt dem som 'solfarveblæk', der kan printes på bøjelige plastikplader. Imidlertid, tidlige prototyper afslørede, at eksponering for luft og ultraviolet stråling forringede cellens evne til at omdanne sollys til elektricitet.

"Før 2014, kolloide kvanteprikkersolceller var meget ustabile og kunne ikke overleve uden for et kontrolleret nitrogenmiljø, " siger KAUST alum Ahmad Kirmani. "Denne situation ændrede sig med udviklingen af ​​en ny arkitektur, der forbedrede både enhedsstabilitet og effektkonverteringseffektivitet."

De seneste kvanteprikkersolceller klemmer de bittesmå partikler mellem to film, der omtales som enten elektron- eller hultransporterende lag. Disse belægninger er designet til hurtigt at udtrække negative eller positive ladninger genereret af fotoexciterede prikker til et eksternt kredsløb. Ud over, lagene giver tiltrængt beskyttelse mod ydre elementer.

Kirmani og hans kolleger indså, at reduktion af størrelsen af ​​det elektrontransporterende lag kunne øge kvanteprikkersolcellens ydeevne. Disse film omfatter ofte ultraviolet-følsomme materialer, såsom zinkoxid, og skal typisk være mere end 100 nanometer tyk for at forhindre dannelse af defekter, der kan kortslutte enheden. I modsætning, tyndere film er mere ønskelige, fordi de kan udvinde fotogenererede elektroner ved højere hastigheder.

KAUST-teamet udviklede en to-trins teknik til at producere ultratynde film, der er glatte nok til effektiv elektronopsamling. Først, de afsatte en indiumoxidbelægning på en gennemsigtig elektrode for at fremme højt ordnet filmvækst. En anden aflejring af zinkoxid, kun 20 nanometer høj, forseglede eventuelle porøse defekter og skabte en ekstremt ensartet grænseflade.

"I første omgang, vi kæmpede med enhedens reproducerbarhed på grund af overfladeuregelmæssigheder, " siger Kirmani. "Ultrathine film, imidlertid, klæber bedre til underlaget. Ved at optimere opløsningskoncentrationerne, vi aflastede mekaniske spændinger for at fremstille meget flade film."

Sammenligninger med en kontrolanordning viste, at det ultratynde elektrontransporterende lag fungerede lige så effektivt som en tykkere zinkoxidfilm. Overraskende nok, blandingen af ​​zink og indiumoxider i den nye solcelle forlængede dens holdbarhed, driftsstabilitet og tolerance over for ultraviolette stråler – fordele, som teamet til dels tilskriver forbedret optisk transmittans gennem enheden.