Skinnende kvanteprikker lyser fremtidens solceller frem

(Phys.org) – Et husvindue, der fungerer som et solpanel, kunne være i horisonten, takket være nyligt kvanteprikkerarbejde udført af Los Alamos National Laboratory-forskere i samarbejde med forskere fra University of Milano-Bicocca (UNIMIB), Italien. Deres projekt viser, at overlegne lysemitterende egenskaber ved kvantepunkter kan anvendes i solenergi ved at hjælpe med at høste sollys mere effektivt.

"Den vigtigste præstation er demonstrationen af ​​store område selvlysende solkoncentratorer, der bruger en ny generation af specielt konstruerede kvantepunkter, " sagde ledende forsker Victor Klimov fra Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) i Los Alamos.

Kvanteprikker er ultrasmå bidder af halvlederstof, der kan syntetiseres med næsten atomær præcision via moderne metoder inden for kolloid kemi. Deres emissionsfarve kan indstilles ved blot at variere deres dimensioner. Farvejusterbarhed kombineres med høj emissionseffektivitet, der nærmer sig 100 procent. Disse egenskaber er for nylig blevet grundlaget for en ny teknologi – kvanteprikskærme – anvendt, for eksempel, i den nyeste generation af Kindle Fire e-reader.

Let høstende antenner

En luminescerende solar koncentrator (LSC) er en fotonstyringsenhed, repræsenterer en plade af gennemsigtigt materiale, der indeholder meget effektive emittere, såsom farvestofmolekyler eller kvantepunkter. Sollys absorberet i pladen genudstråles ved længere bølgelængder og ledes mod pladens kant udstyret med en solcelle.

Klimov forklarede, "LSC fungerer som en lyshøst-antenne, der koncentrerer solstråling indsamlet fra et stort område til en meget mindre solcelle, og det øger dens effekt."

"LSC'er er særligt attraktive, fordi ud over effektivitetsgevinster, de kan muliggøre nye interessante koncepter såsom fotovoltaiske vinduer, der kan omdanne husfacader til store energiproduktionsenheder, " sagde Sergio Brovelli, der arbejdede på Los Alamos indtil 2012 og nu er fakultetsmedlem ved UNIMIB.

På grund af meget effektiv, farvejusterbar emission og opløsningsbearbejdelighed, kvanteprikker er attraktive materialer til brug i billige, store areal LSC'er. En udfordring, imidlertid, er et overlap mellem emissions- og absorptionsbånd i prikkerne, hvilket fører til betydelige lystab på grund af, at prikkerne absorberer noget af det lys, de producerer.

"Kæmpe" men stadig lille, konstruerede prikker

For at overvinde dette problem har Los Alamos og UNIMIB -forskerne udviklet LSC'er baseret på kvantepunkter med kunstigt fremkaldt stor adskillelse mellem emissions- og absorptionsbånd (kaldet et stort Stokes -skift).

Disse "Stokes-shift" konstruerede kvanteprikker repræsenterer cadmiumselenid/cadmiumsulfid (CdSe/CdS) strukturer, hvor lysabsorption er domineret af en ultratyk ydre skal af CdS, mens emissionen sker fra den indre kerne af et CdSe med snævrere hul. Adskillelsen af ​​lysabsorptions- og lys-emissionsfunktioner mellem de to forskellige dele af nanostrukturen resulterer i et stort spektralskifte af emission med hensyn til absorption, hvilket i høj grad reducerer tab til re-absorption.

For at implementere dette koncept, Los Alamos-forskere skabte en række tykskal (såkaldte "kæmpe") CdSe/CdS-kvantepunkter, som blev inkorporeret af deres italienske partnere i store plader (dimensioneret i titalls centimeter) af polymethylmethacrylat (PMMA). Selvom den er stor efter kvanteprikkerstandarder, de aktive partikler er stadig små - kun omkring hundrede ångstrøm på tværs. Til sammenligning, et menneskehår er omkring 500, 000 ångstrøm brede.

"En nøgle til succesen med dette projekt var brugen af ​​en modificeret industriel metode til cellestøbning, vi udviklede på UNIMIB Materials Science Department" sagde Francesco Meinardi, professor i fysik ved UNIMIB.

Spektroskopiske målinger indikerede stort set ingen tab ved genabsorption på afstande på ti centimeter. Yderligere, tests ved hjælp af simuleret solstråling viste høje fotonhøsteffektiviteter på ca. 10 % pr. absorberet foton, der kan opnås i næsten gennemsigtige prøver, perfekt egnet til brug som fotovoltaiske vinduer.

På trods af deres store gennemsigtighed, de fabrikerede strukturer viste betydelig forbedring af solflux med en koncentrationsfaktor på mere end fire. Disse spændende resultater indikerer, at "Stokes-shift-engineered" kvanteprikker repræsenterer en lovende materialeplatform. Det kan muliggøre oprettelse af løsningsforarbejdbare LSC'er med stort område med uafhængigt indstillelige emissions- og absorptionsspektre.

Et forskningsoplæg, "Lyscerende solkoncentratorer med stort område baseret på 'Stokes-shift-konstruerede' nanokrystaller i en massepolymeriseret PMMA-matrix, "udgives online i denne uge i Naturfotonik .