Synergistisk effekt opdaget i lagdelte kvanteprikkede solceller

(Phys.org) - Videnskabsfolk har opdaget, at en solcelle, der består af to eller tre lag med kvantepunkter, med hvert lag afstemt til en anden del af solspektret, har en effektivitet, der er 40-60% højere end summen af ​​effektiviteten af ​​separate solceller, der hver består af et af de enkelte lag. Den synergistiske effekt af den lagdelte arkitektur kan føre til nye måder at designe quantum dot-solceller med høj effektivitet og bredspektret absorption.

Forskerne, der designede og fremstillede de nye solceller, Pralay K. Santra og professor Prashant V. Kamat ved University of Notre Dame i Indiana, ønskede at teste det tidligere foreslåede koncept for en regnbue solcelle, som kan høste fotoner af alle "farver" eller bølgelængder i det synlige spektrum.

For at fremstille en regnbue solcelle, forskere skal indarbejde lyshøstkomponenter med forskellige egenskaber for at fange forskellige dele af spektret. En måde at gøre dette på er ved at bruge kvantepunkter, som kan indstilles til at fange specifikke bølgelængder af lys. Den typiske måde at indstille en quantum prots båndgab til at fange en bestemt bølgelængde af lys er at kontrollere prikkens størrelse under syntese.

Her, forskerne valgte en anden måde at indstille prikkernes båndgab:ved at kontrollere deres sammensætning. Alle de kvanteprikker, de brugte, var nogenlunde samme størrelse (4,5 nm) og lavet af cadmium, selen, og svovl, men mængden af ​​selen i hver prik var varieret. Kvantepunkter med de mindste mængder selen havde de største båndgab og fangede de korteste lysbølgelængder. Baseret på dette forhold, forskerne syntetiserede tre slags kvantepunkter:grøn, som havde det største båndgab; orange, som havde et mellemliggende båndgab; og rød, som havde det mindste båndgab.

Efter syntetisering af kvantepunkterne, forskerne deponerede dem på en TiO ₂ film et lag ad gangen, startende med de grønne prikker, efterfulgt af orange, og endelig rød. Tandem-lagfilmen blev derefter brugt som en fotoanode, som samler indgående lys i en solcelle.

"Så vidt vi ved, dette er den første systematiske tilgang til deponering af to eller flere lag prikker for sekventielt at høste fotoner i solceller med kvantepunkter, "Fortalte Kamat Phys.org . "Afstemningen af ​​quantum dots 'båndgab ved at variere sammensætningen er en relativt ny idé og bliver undersøgt af et par grupper."

Når man eksperimenterer med forskellige versioner af denne nye tandemlagede solcelle, forskerne fandt ud af, at de kunne opnå den bedste ydeevne med kun to lag:et lag orange prikker efterfulgt af et lag røde prikker. Denne sammensatte celle udviste en effektivitet på 3,2%, mens en celle, der omfattede de grønne prikker, havde en lidt lavere effektivitet på 3,0%

Endnu mere interessant er den synergistiske effekt, forskerne opdagede i disse celler. Den orange/røde lagcelles observerede effektivitet på 3,2% er 41% højere end den forventede effektivitet på 2,27%, som beregnes ved at tilføje effektiviteten af ​​to separate celler, en med orange og en med røde prikker. Og den observerede effektivitet af en celle med alle tre prikker, 3,0%, er 60% højere end den estimerede additiveffektivitet på 1,87%.

Selvom forskerne ikke helt er sikre på, hvad der forårsager de synergistiske virkninger, de har to ideer. En mulighed er, at prikkers båndenergier flugter på en sådan måde, at der tillades en elektronoverførselskaskade fra prikker med større båndgab til prikker med mindre båndgab, hvor elektroner ophobes. Den anden idé involverer energioverførsel fra de større båndgabspunkter til de mindre båndgabspunkter, hvor excitation er koncentreret. I begge scenarier, elektronerne eller excitationer forbedrer elektronoverførselsprocessen, hvilket fører til øget elproduktion og større effektivitet. Forskerne formoder, at begge disse veje kan arbejde sammen for at forbedre ydeevnen.

"Betydningen af ​​tandem-lagde kvanteprikkede solceller mangler endnu at blive realiseret fuldt ud, "Kamat sagde." Dette er vores jomfruindsats, og det åbner nye måder at designe solceller med højere effektivitet på. Tandemstrukturen muliggør selektiv absorption af lys, dermed maksimere effektiviteten af ​​lysenergiomdannelse. Energitab som følge af termalisering af ophidsede elektroner kan i høj grad minimeres ved denne enkle tilgang. "

Med udgangspunkt i disse ideer, forskerne håber at forbedre solcellernes ydeevne yderligere i fremtiden.

"Vi har stadig brug for yderligere forbedringer i strømkonverteringseffektivitet, "Kamat sagde." Vi har nu iværksat en flergrundet fremgangsmåde for at forbedre effektiviteten af ​​tandem -quantum dot -solceller ved at inkorporere kvanteprikker af forskellige materialer (kobberindiumsulfid, cadmium selenid og bly selenid) og forlæng fotoresponsen længere ind i infrarød. Spektroskopiske målinger er i gang for at fastslå de synergetiske virkninger i tandem -quantum dot -solceller. "

© 2013 Phys.org