Forskning forbedrer ydeevnen for næste generations solcelleteknologi

Forskere fra University of Toronto, King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) og Pennsylvania State University (Penn State) har skabt den mest effektive solcelle, der nogensinde er lavet baseret på collodial-quatum-dots (CQD). Opdagelsen er rapporteret i det seneste nummer af Naturmaterialer .

Quantum dots er nanoskala halvledere, der fanger lys og konverterer det til en energikilde. På grund af deres lille skala, prikkerne kan sprøjtes på fleksible overflader, herunder plast. Dette muliggør produktion af solceller, der er billigere at producere og mere holdbare end den mere kendte siliciumbaserede version. I det arbejde, der fremhæves af Naturmaterialer papir med titlen "Collodial-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation, "forskerne demonstrerer, hvordan de indpakninger, der indkapsler kvanteprikkerne, kan krympes til et enkelt lag af atomer.

"Vi fandt ud af, hvordan vi krymper de passiverende materialer til den mindste tænkelige størrelse, "siger professor Ted Sargent, tilsvarende forfatter om værket og indehaver af Canada Research Chair in Nanotechnology ved U of T.

En afgørende udfordring for feltet har været at finde en balance mellem bekvemmelighed og ydeevne. Det ideelle design er et, der tæt pakker kvanteprikkerne sammen. Jo større afstand mellem kvanteprikker, jo lavere effektivitet.

Imidlertid er kvantepunkterne normalt lukket med organiske molekyler, der tilføjer et nanometer eller to. Når du arbejder på en nanoskala, det er omfangsrigt. Alligevel har de organiske molekyler været en vigtig ingrediens i dannelsen af ​​et kolloid, som er et stof, der er spredt i et andet stof. Dette gør det muligt at male kvanteprikkerne på andre overflader.

For at løse problemet, forskerne har vendt sig til uorganiske ligander, som binder kvanteprikkerne sammen, mens de bruger mindre plads. Resultatet er de samme kolloidkarakteristika, men uden de omfangsrige organiske molekyler.

"Vi viklede et enkelt lag atomer omkring hver partikel. Som et resultat, de pakkede kvanteprikkerne i et meget tæt faststof, "forklarer Dr. Jiang Tang, den første forfatter til papiret, der udførte forskningen, mens han var postdoktor i Edward S. Rogers Department of Electrical &Computer Engineering ved U of T.

Holdet viste de højeste elektriske strømme, og den højeste samlede effektkonverteringseffektivitet, nogensinde set i CQD solceller. Ydelsesresultaterne blev certificeret af et eksternt laboratorium, Newport, der er akkrediteret af US National Renewable Energy Laboratory.

"Teamet beviste, at vi var i stand til at fjerne ladningsfælder - steder, hvor elektroner sætter sig fast - mens vi stadig pakker kvanteprikkerne tæt sammen, "siger professor John Asbury fra Penn State, medforfatter til værket.

Kombinationen af ​​tæt pakning og eliminering af ladefælder gjorde det muligt for elektroner at bevæge sig hurtigt og problemfrit gennem solcellerne, hvilket giver rekordeffektivitet.

"Dette fund beviser uorganiske liganders magt til at bygge praktiske anordninger, "siger professor Dmitri Talapin fra University of Chicago, der er forskningsleder på området. "Denne nye overfladekemi giver vejen mod både effektive og stabile quantum dot-solceller. Det bør også påvirke andre elektroniske og optoelektroniske enheder, der anvender kolloidale nanokrystaller. Fordelene ved den uorganiske tilgang omfatter stærkt forbedret elektronisk transport og en vej til lang- sigtstabilitet. "

"På KAUST var vi i stand til at visualisere, med en utrolig opløsning på sub-nanometer længdeskala, strukturen og sammensætningen af ​​denne bemærkelsesværdige nye klasse af materialer, "siger professor Aram Amassian fra KAUST, medforfatter på værket.

"Vi beviste, at de uorganiske passivanter var tæt forbundet med placeringen af ​​kvantepunkterne, og at det var denne nye tilgang til kemisk passivering, frem for nanokrystalbestilling, der førte til denne rekordstore kolloidale quantum dot solcelle ydeevne, "tilføjer han.

Som et resultat af potentialet i denne forskningsfund, en teknologilicensaftale er blevet underskrevet af U af T og KAUST, formidlet af MaRS Innovations (MI), hvilket vil muliggøre global kommercialisering af denne nye teknologi.

"Verden - og markedet - har brug for solinnovationer, der bryder det eksisterende kompromis mellem ydelse og omkostninger. Gennem U of T's, MI'er, og KAUSTs partnerskab, vi er klar til at omsætte spændende forskning til håndgribelige innovationer, der kan kommercialiseres, "sagde Sargent.