Lille teknik, store resultater:Quantum dot solceller øger solkonverteringseffektiviteten

Kapløbet om at opnå stadigt højere fotovoltaiske konverteringsforhold er, så at sige, et varmt forskningsområde. En forskningslinje har fokuseret på kvanteprikker – halvledernanokrystaller under 2-10 nanometer (ca. 10-50 atomer) i diameter, hvor elektronbevægelse er begrænset i alle tre dimensioner – som de grundlæggende elementer i nanoskala solcelleteknologi.

Nogle gange kaldet kunstige atomer , nanopartikler sammensat af cadmium, zink, tellurium, selen, svovl og andre forbindelser er så små, at tilføjelse eller fjernelse af en enkelt elektron repræsenterer en væsentlig ændring – en egenskab, der gør dem egnede ikke kun som komponenter i avancerede solceller, men også i solid state belysning, medicinske sensorer og andre applikationer.

I særdeleshed, kolloide kvanteprikker (CQD'er) - syntetiseret fra et tre-komponent system sammensat af:prækursorer, organiske overfladeaktive stoffer, og opløsningsmidler – kan indstilles ved at ændre deres størrelse, som i fotovoltaiske strukturer gør det muligt at skræddersy deres spektrale respons efter behov. For nylig, forskere ved Department of Electrical and Computer Engineering ved University of Toronto har demonstreret de første CQD tandem solceller (en serie af forbundne solceller, hvor tilføjelse af flere enheder gør det muligt for hver enhed at blive optimeret til et smallere spektrum, hvilket giver en højere samlet effektivitet ) ved hjælp af størrelse-effekt tuning af et enkelt CQD-materiale, bly(II)sulfid (PbS). Deres evne til at tune CQD-film kan tillade tandem og multi-junction solceller (fremstillet ved at kombinere CQD'er af forskellige størrelser) for at hæve solcellekonverteringsgrænserne fra de nuværende 31 % til 42 % 49 %, henholdsvis.

Forskningen – ledet af prof. Edward H. Sargent, sammen med Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, og andre forskere fra University of Toronto - overvandt de vanskeligheder, som tidligere CQD-fotovoltaisk forskning stødte på, som var omgivet af en nøgle, der mangler:krydset – forbindelsespunktet – mellem for- og bagcellerne. "Før vores avis, " siger Sargent, "Der havde ikke været nogen tidligere rapporter om en kolloid kvantepunktsolcelle, der effektivt matcher strømmene i fronten, eller synlig bølgelængde-båndgab, celle, og den bagerste infrarøde båndgap celle, og det opsummerer med succes spændingerne i hver celle. Vi udviklede en ny teknik - som vi kalder Graderet rekombinationslag - der forbinder de forreste og bagerste celler med stort set intet ydeevnetab gennem en række materialer, der gradvist overfører frontcelleaktivitet til den bagerste celle."

Nøglen er, at denne stak af materialer er meget gennemsigtig, og viste sig derfor meget effektiv til at opbygge den første effektive kolloide kvanteprik-tandemcelle. På dette tidspunkt, tilføjer Sargent, "Det vigtigste avancerede behov inden for CQD-fotovoltaik er forbedret transport inden for selve det kolloide kvantepunktlag. Dette vil gavne solceller med både enkelt- og multi-junction.”

Med hensyn til applikationer, Sargent bemærker, at "Når vi overstiger 10% solcellekonverteringseffektivitet (i dag er de bedste rapporter for CQD solceller 5,6%, så vi har stadig en vej at gå), vi vil være klar til at skabe fleksible, store solceller til lav pris. Specifikt, Vores måleffektivitet kombineret med vores lave materialer og fremstillingsomkostninger vil føre til en dramatisk forbedring af de samlede installerede omkostninger pr. Watt*peak."

Det følger, derefter, at CQD solcelleanlæg er modtagelige for betydelig skalering. "Selv i R&D-laboratoriet, Sargent påpeger, "Vi syntetiserer nok kolloide kvanteprikker i hver kørsel til at dække en kvadratmeter overflade med en komplet lysabsorber. Der mangler stadig at blive arbejdet med at udvikle de endelige tyndfilmsbehandlingsmetoder, der er kompatible med rulle-til-rulle-behandling med stort område."

Sargent bemærker, at der er en vis overlapning med Stanford Universitys Photon Enhanced Thermionic Emission (PETE) forskning. PETE øger energiomdannelseseffektiviteten af ​​termioniske enheder (som konverterer varme til elektricitet) implementeret som topping-cyklusser for solvarmesystemer, derved muligvis fordobling af fotovoltaiske konverteringsforhold. "Det, vores tilgange har til fælles, er at opdele spektret i to komponenter - den synlige højere energi og den lavere energi, men rigelige fotonfluens, eller flux, infrarød. Det sagt, " understreger han, "Der er også vigtige forskelle:vores tilgang kræver ikke optisk koncentration, mens PETE gør. Også, vores fungerer bedst ved typiske omgivelsestemperaturer; PETE kræver, at katoden fungerer ved 600-800ºC."

Sargent ser de næste trin i teamets forskning som "fokuseret på opgaven med at forbedre elektron- og hultransport inde i kolloide kvanteprikfilm med det formål at lave lavtemperaturbehandlede, fleksibel, billige solceller, der overstiger 10 % solenergikonverteringseffektivitet."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.