Undersøgelse forudsiger, at nanovidenskaben i høj grad vil øge effektiviteten af ​​næste generations solceller

Som den hurtigst voksende energiteknologi i verden, solenergi står fortsat for mere og mere af verdens energiforsyning. I øjeblikket, mest kommerciel fotovoltaisk strøm kommer fra bulk halvleder materialer. Men i de sidste par år, forskere har undersøgt, hvordan halvleder -nanostrukturer kan øge effektiviteten af ​​solceller og det nyere felt af solbrændstoffer.

Selvom der har været en del kontroverser om, hvor meget nanovidenskab, der kan forbedre solceller, en nylig oversigt over denne forskning af Arthur Nozik, en forsker ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) og professor ved University of Colorado, viser, at halvleder -nanostrukturer har et betydeligt potentiale for at konvertere solenergi til elektricitet.

I hans oversigt, som udgives i en nylig udgave af Nano bogstaver , Nozik har opsummeret den aktuelle status for flere tilgange til forbedring af fotovoltaik med nanovidenskab. Som han forklarer, fordelene ved halvleder -nanostrukturer stammer fra kvanteindeslutning af negative elektroner og positive huller i meget små rumområder i nanokrystallerne. Kvantindeslutning kan forekomme i én, to eller tre dimensioner; i tre dimensioner, halvlederne kaldes kvantepunkter. I ethvert regime, kvanteindeslutningen giver kvantiseringseffekter, hvilket resulterer i unikke optiske og elektroniske egenskaber.

”Der er to hovedteoretiske fordele ved at inkorporere kvantepunkter i solceller og fotovoltaik:højere effektivitet og lavere omkostninger, ”Fortalte Nozik til PhysOrg.com. ”Der er en teoretisk mulighed baseret på termodynamiske beregninger for at øge effektiviteten af ​​nutidens solceller med en meget betydelig mængde på 50-100%. Ud over, kvanteprikker kunne sænke kapitalomkostningerne ved solcelleproduktion i form af omkostninger pr. arealenhed. Kombinationen af ​​lavere omkostninger pr. Arealenhed og højere konverteringseffektivitet ville sænke omkostningerne ved fotovoltaisk strøm udtrykt som omkostninger pr. Spidseffekt. De nuværende siliciumceller er dyre (cirka tre gange prisen på konventionel elektricitet), men kvanteprikker er baseret på billigere lavtemperaturopløsningskemiske metoder, plus de kunne producere højere konverteringseffektiviteter. Imidlertid, der er stadig meget arbejde, der skal udføres, før kvantepunkter er kommercielt tilgængelige. ”

Det grundlæggende princip for fotovoltaiske solceller er at absorbere fotoner fra indfaldende solstråling med energier over halvlederbåndets hul, og brug fotonerne til at oprette frie elektroner og huller (kaldet ladningsbærere). For at øge systemets effektivitet, det er vigtigt at danne så mange ladningsbærere som muligt ud fra de absorberede fotoner. Det er her, kvanteindeslutningseffekterne bliver meget nyttige, da effekterne kobler fotogenererede elektroner og huller til bundne elektron-hulpar kaldet excitoner, og tilskynde til effektiv dannelse af mere end en exciton fra en enkelt absorberet foton. I kvantepunkter. processen kaldes multiple exciton generation (MEG). Blandt dens fordele, MEG er mere effektivt og kan forekomme med fotoner med lavere energi i det synlige område af solspektret sammenlignet med en multiplikationsproces af ladningsbærere i bulk halvledere (en proces kaldet impact ionization, som generelt er begrænset til det ultraviolette område, hvor solfotoner er fraværende eller knappe).

For at generere flere excitoner, MEG-processen skal konkurrere med den hurtige afkøling af indledende fotogenererede højenergi-excitoner (kaldet "varme excitoner"). De varme excitoner dannes ved absorption af energiske blå eller næsten ultraviolette fotoner. I bulk halvledere ved stuetemperatur og derover, de fotogenererede elektroner og huller er frakoblet og eksisterer som gratis ladningsbærere (kaldet "varme bærere"). Overskydende energi fra varme excitoner eller varme bærere kan hurtigt miste deres overskydende kinetiske energi gennem elektron-fonon-interaktioner og omdanne den til varme, hvilket tegner sig for et betydeligt tab af konverteringseffektivitet. Imidlertid, Nozik bemærker, at trods en del kontroverser, nylige undersøgelser har vist, at MEG -hastigheden kan være meget hurtigere end den varme exciton -kølehastighed, hvilket resulterer i en samlet højere effektivitet ved multiplikation af elektronhulpar. Men på trods af tidlige indledende rapporter om kvanteudbytter på 200% i quantum dot fotoelektrokemiske solceller, ingen quantum dot-baseret fotovoltaisk enhed til dato har vist en faktisk forbedret effektkonverteringseffektivitet på grund af MEG.

"Generelt, målet er at producere systemer, der har effektiviteter tæt på den teoretiske grænse, ”Sagde Nozik. ”Den teoretiske effektivitet er cirka 45%, mens laboratorieeffektiviteten af ​​de nuværende quantum dot-solceller er omkring 3-5%. Det er et stort hul; vi er nødt til at forstå, hvad der begrænser effektiviteten i disse nye tilgange. ”

På trods af kontroversen om MEG, Nozik konkluderer, at mulighederne for quantum dot -solceller og andre nanostrukturer, der bruger kvanteindeslutning, ser lovende ud, selvom der stadig skal arbejdes meget mere. Et problem, der kan hjælpe MEG med at nå sit fulde potentiale, er at sikre, at de ekstra excitoner hurtigt indsamles, da de henfalder inden for omkring 20-100 picosekunder efter dannelse. Mest vigtigt, Nozik understreger, at forskere bør stræbe efter at nå den maksimale teoretiske effektivitet af solceller.

"Der er en vis grad af kontrovers om disse tredje generations tilgange, fordi de er nye og ikke helt forstået, ”Sagde Nozik. "I fortiden, nogle resultater kunne ikke gengives i forskellige laboratorier. Men nu gengiver flere og flere mennesker de seneste år positive resultater. Los Alamos og NREL måler disse effekter i et nyt amerikansk DOE Energy Frontier Research Center med forskellige teknikker, og får det samme svar. Så det er en reel effekt, en positiv effekt. Imidlertid, nogle mennesker er stadig skeptiske og tror, ​​at vi aldrig kommer til at nå disse værdier [af teoretisk effektivitet]. Men der er ingen grundlæggende årsag til, at vi ikke kan nå disse værdier. Det kræver bare mere forskning, mere indsats, og mere forståelse. ”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.