Ny tilgang kan være nøglen til kvantepunktsolceller med reelle gevinster i effektivitet

(Phys.org) – Los Alamos-forskere har demonstreret et næsten firedobbelt boost af bærer-multiplikationsudbyttet med nanokonstruerede kvanteprikker. Carrier multiplikation er, når en enkelt foton kan excitere flere elektroner. Kvanteprikker er nye nanostrukturer, der kan blive grundlaget for den næste generation af solceller, i stand til at presse yderligere elektricitet ud af den ekstra energi fra blå og ultraviolette fotoner.

"Typiske solceller absorberer en bred del af solspektret, men på grund af den hurtige afkøling af energiske (eller 'varme') ladningsbærere, den ekstra energi fra blå og ultraviolette solfotoner spildes til at producere varme, " sagde Victor Klimov, direktør for Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) ved Los Alamos National Laboratory.

Får to til prisen for én

"I princippet, denne tabte energi kan genvindes ved at konvertere den til yderligere fotostrøm via bærermultiplikation. I det tilfælde, kollision af en varm bærer med en valensbåndelektron exciterer den over energigabet, " sagde Klimov. "På denne måde, absorption af en enkelt foton fra højenergi-enden af ​​solspektret producerer ikke kun et, men to elektron-hul-par, hvilket med hensyn til effekt betyder at få to til prisen for én."

Bærermultiplikation er ineffektiv i de faste stoffer, der anvendes i almindelige solceller, men er væsentligt forbedret i ultrasmå halvlederpartikler – også kaldet kvanteprikker – som det første gang blev demonstreret af LANL-forskere i 2004 (Schaller &Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601, 2004). I konventionelle kvanteprikker, imidlertid, carrier multiplikation er ikke effektiv nok til at øge effektudgangen fra praktiske enheder.

En ny undersøgelse udført i Center for Advanced Solar Photophysics viser, at passende konstruerede kerne/skal nanostrukturer lavet af blyselenid og cadmiumselenid (PbSe og CdSe) kan øge bærermultiplikationsudbyttet fire gange i forhold til simple PbSe kvanteprikker.

Klimov forklarede, "Denne stærke forbedring stammer primært fra den usædvanligt langsomme fononafslapning af varme huller, der bliver fanget i højenergitilstande i den tykke CdSe-skal. Den lange levetid af disse energiske huller letter en alternativ afslapningsmekanisme via kollisioner med kernelokaliseret valensbånd elektron, som fører til højeffektiv bærermultiplikation."

Møtrikker og bolte til langsommere afkøling

For at indse effekten af ​​langsommere køling af bærer har LANL-forskere fremstillet PbSe-kvanteprikker med en særlig tyk CdSe-skal. Qianglu Lin, en CASP-studerende, der arbejder på syntesen af ​​disse materialer, sagde, "Et slående træk ved de tykke PbSe/CdSe kvanteprikker er en ret lys synlig emission, fra skallen, observeret samtidig med den infrarøde emission fra kernen. Dette viser, at afkøling inden for bånd nedsættes dramatisk, så hullerne er i skallen længe nok til at producere emission."

"Denne bremsede afslapning, som ligger til grund for den observerede forbedring af bærermultiplikation, relaterer sandsynligvis til samspillet mellem kerne- versus skal-lokalisering af valensbåndtilstande" forklarede Nikolay Makarov, en spektroskopist, der arbejder på dette projekt. Istvan Robel, et andet CASP-medlem tilføjede "Vores modellering indikerer, at når skallen er tyk nok, hultilstandene med højere energi lå primært i skallen, mens lavere energitilstande stadig er begrænset til kernen. Denne adskillelse fører til elektronisk afkobling af tilstande med højere og lavere energihuller, som er ansvarlig for den observerede langsomme afkøling."

Hvad dette kan betyde i fremtiden

Mens det nuværende CASP-arbejde er baseret på PbSe/CdSe kvanteprikker, konceptet "carrier-multiplication engineering" gennem kontrol af intraband køling er generelt, og bør kunne realiseres med andre kombinationer af materialer og/eller nanostrukturgeometrier.

Jeff Pietryga, ledende CASP-kemiker siger, "Yderligere forbedring af carrier multiplikation bør være mulig ved at kombinere denne nye tilgang med andre demonstrerede metoder til at øge multicarrier udbyttet, ved at bruge formkontrol (som i nanorods) og/eller materialer, hvor afkølingen allerede er naturligt langsommere, ligesom PbTe." Anvendt sammen, disse strategier kan give en praktisk vej til nanostrukturer, der udviser bærermultiplikationsydelse, der nærmer sig de grænser, der pålægges af energibesparelse.