Forskere udvikler ny teknologi til billigere, mere effektive solceller

Solen giver mere end nok energi til alle vores behov, hvis bare vi kunne udnytte det billigt og effektivt. Solenergi kunne være et rent alternativ til fossile brændstoffer, men de høje omkostninger ved solceller har været en stor barriere for deres udbredte anvendelse.

Stanford-forskere har fundet ud af, at tilføjelse af et enkelt lag af organiske molekyler til en solcelle kan øge dens effektivitet tre gange og kan føre til billigere, mere effektive solpaneler. Deres resultater blev offentliggjort online i ACS Nano den 7. feb.

Professor i kemiteknik Stacey Bent blev først interesseret i en ny form for solteknologi for to år siden. Disse solceller brugte bittesmå partikler af halvledere kaldet "kvanteprikker". Quantum dot solceller er billigere at producere end traditionelle, da de kan laves ved hjælp af simple kemiske reaktioner. Men på trods af deres løfte, de haltede et godt stykke efter eksisterende solceller i effektivitet.

"Jeg spekulerede på, om vi kunne bruge vores viden om kemi til at forbedre deres effektivitet, "
sagde Bent. Hvis hun kunne gøre det, de reducerede omkostninger ved disse solceller kan føre til masseadoption af teknologien.

Bent vil diskutere sin forskning på søndag, 20. februar, ved det årlige møde i American Association for the Advancement of Science i Washington, D.C.

I princippet, kvantepunktceller kan nå meget højere effektivitet, Bent sagde, på grund af en fundamental begrænsning af traditionelle solceller.

Solceller virker ved at bruge energi fra solen til at excitere elektroner. De exciterede elektroner hopper fra et lavere energiniveau til et højere, efterlader et "hul", hvor elektronen plejede at være. Solceller bruger en halvleder til at trække en elektron i én retning, og et andet materiale til at trække hullet i den anden retning. Denne strøm af elektron og hul i forskellige retninger fører til en elektrisk strøm.

Men det kræver en vis minimumsenergi at adskille elektronen og hullet fuldstændigt. Den nødvendige mængde energi er specifik for forskellige materialer og påvirker hvilken farve, eller bølgelængde, af lys, som materialet bedst absorberer. Silicium bruges almindeligvis til at fremstille solceller, fordi den energi, der kræves for at excitere dets elektroner, svarer tæt til bølgelængden af ​​synligt lys.

Men solceller lavet af et enkelt materiale har en maksimal effektivitet på omkring 31 procent, en begrænsning af det faste energiniveau, de kan optage.

Quantum dot solceller deler ikke denne begrænsning og kan i teorien være langt mere effektive. Energiniveauerne af elektroner i kvantepunkthalvledere afhænger af deres størrelse – jo mindre kvanteprikken er, jo større energi er nødvendig for at excitere elektroner til det næste niveau.

Så kvanteprikker kan indstilles til at absorbere en vis bølgelængde af lys blot ved at ændre deres størrelse. Og de kan bruges til at bygge mere komplekse solceller, der har mere end én størrelse kvanteprikker, giver dem mulighed for at absorbere flere bølgelængder af lys.

På grund af disse fordele, Bent og hendes elever har undersøgt måder at forbedre effektiviteten af ​​kvanteprikkersolceller, sammen med lektor Michael McGehee fra afdelingen for Materials Science and Engineering.

Forskerne har belagt en titaniumdioxid-halvleder i deres kvantepunktsolcelle med et meget tyndt enkelt lag af organiske molekyler. Disse molekyler var selvsamlende, hvilket betyder, at deres interaktioner fik dem til at pakke sammen på en ordnet måde. Kvanteprikkerne var til stede ved grænsefladen mellem dette organiske lag og halvlederen. Bents elever prøvede flere forskellige organiske molekyler i et forsøg på at lære, hvilke der ville øge solcellernes effektivitet mest.

Men hun fandt ud af, at det nøjagtige molekyle ikke betød noget – blot at have et enkelt organisk lag mindre end en nanometer tykt var nok til at tredoble solcellernes effektivitet. "Vi blev overraskede, vi troede, det ville være meget følsomt over for, hvad vi lagde ned, sagde Bent.

Men hun sagde, at resultatet gav mening set i bakspejlet, og forskerne kom med en ny model – det er længden af ​​molekylet, og ikke dens nøjagtige natur, det betyder noget. Molekyler, der er for lange, tillader ikke kvanteprikkerne at interagere godt med halvlederen.

Bents teori er, at når solens energi skaber en elektron og et hul, det tynde organiske lag hjælper med at holde dem adskilt, forhindrer dem i at rekombinere og blive spildt. Gruppen har endnu ikke optimeret solcellerne, og de har i øjeblikket opnået en effektivitet på, højst, 0,4 procent. Men gruppen kan tune flere aspekter af cellen, og når de gør det, den tredobbelte stigning forårsaget af det organiske lag ville være endnu mere signifikant.

Bent sagde, at de cadmiumsulfid-kvanteprikker, hun bruger i øjeblikket, ikke er ideelle til solceller, og gruppen vil prøve forskellige materialer. Hun sagde, at hun også ville prøve andre molekyler til det organiske lag, og kunne ændre designet af solcellen for at forsøge at absorbere mere lys og producere mere elektrisk ladning. Når først Bent har fundet en måde at øge effektiviteten af ​​quantum dot solceller, hun sagde, at hun håber, at deres lavere omkostninger vil føre til bredere accept af solenergi.