Nyt solcelledesign baseret på prikker og ledninger

At bruge eksotiske partikler kaldet kvanteprikker som grundlag for en fotovoltaisk celle er ikke en ny idé, men forsøg på at lave sådanne enheder har endnu ikke opnået tilstrækkelig høj effektivitet til at konvertere sollys til strøm. En ny rynke tilføjet af et team af forskere ved MIT – indlejring af kvanteprikkerne i en skov af nanotråde – lover at give et betydeligt løft.

Fotovoltaik (PV'er) baseret på små kolloide kvanteprikker har flere potentielle fordele i forhold til andre tilgange til fremstilling af solceller:De kan fremstilles i en stuetemperaturproces, spare energi og undgå komplikationer forbundet med højtemperaturbehandling af silicium og andre PV-materialer. De kan laves af rigelige, billige materialer, der ikke kræver omfattende rensning, som silicium gør. Og de kan påføres på en række forskellige billige og endda fleksible substratmaterialer, såsom letvægtsplast.

Men der er en afvejning i at designe sådanne enheder, på grund af to modstridende behov for en effektiv PV:En solcelles absorberende lag skal være tyndt for at lade ladninger let passere fra de steder, hvor solenergi absorberes til de ledninger, der fører strøm væk - men det skal også være tykt nok til at absorberer lys effektivt. Forbedret ydeevne på et af disse områder har en tendens til at forværre det andet, siger Joel Jean, en ph.d.-studerende i MIT's Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS).

"Du vil have en tyk film til at absorbere lyset, og du vil have det tyndt for at få anklagerne ud, " siger han. "Så der er en kæmpe uoverensstemmelse."

Det er her tilsætning af zinkoxid nanotråde kan spille en nyttig rolle, siger Jean, hvem er hovedforfatter på et papir, der skal publiceres i tidsskriftet Avancerede materialer . Artiklen er medforfatter af kemiprofessor Moungi Bawendi, professor i materialevidenskab og ingeniør Silvija Gradečak, EECS professor Vladimir Bulović, og tre andre kandidatstuderende og en postdoc.

Disse nanotråde er ledende nok til nemt at udtrække ladninger, men lang nok til at give den nødvendige dybde til lysabsorption, siger Jean. Ved at bruge en bottom-up-vækstproces til at dyrke disse nanotråde og infiltrere dem med blysulfid-kvanteprikker giver det et 50 procent boost i strømmen, der genereres af solcellen, og en stigning på 35 procent i den samlede effektivitet, siger Jean. Processen producerer en lodret række af disse nanotråde, som er gennemsigtige for synligt lys, blandet med kvanteprikker.

"Hvis du skinner lys langs længden af ​​nanotrådene, du får fordelen af ​​dybde, " siger han. Men også, "du afkobler lysabsorption og ladebærerekstraktion, da elektronerne kan hoppe sidelæns op på en nærliggende nanotråd og blive opsamlet."

En fordel ved kvantepunktbaserede PV'er er, at de kan indstilles til at absorbere lys over et meget bredere bølgelængdeområde end konventionelle enheder, siger Jean. Dette er en tidlig demonstration af et princip om, at gennem yderligere optimering og forbedret fysisk forståelse, kan føre til praktiske, billige nye typer fotovoltaiske enheder, han siger.

Allerede, testenhederne har produceret effektiviteter på næsten 5 procent, blandt de højeste nogensinde rapporteret for en kvantepunkt-PV baseret på zinkoxid, han siger. Med videreudvikling, Jean siger, det kan være muligt at forbedre enhedernes samlede effektivitet ud over 10 procent, hvilket er bredt accepteret som minimumseffektiviteten for en kommercielt levedygtig solcelle. Yderligere forskning vil bl. blandt andet, udforske at bruge længere nanotråde til at lave tykkere film, og arbejder også på bedre at kontrollere afstanden mellem nanotrådene for at forbedre infiltrationen af ​​kvanteprikker mellem dem.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.