Afmystificerende nanokrystal solceller

ETH -forskere har udviklet en omfattende model til at forklare, hvordan elektroner strømmer inde i nye typer solceller lavet af små krystaller. Modellen giver mulighed for en bedre forståelse af sådanne celler og kan bidrage til at øge deres effektivitet.

Forskere fokuserer på krystaller i nanometerstørrelse til den næste generation af solceller. Disse nanokrystaller har fremragende optiske egenskaber. Sammenlignet med silicium i nutidens solceller, nanokrystaller kan designes til at absorbere en større brøkdel af sollysets spektrum. Imidlertid, udviklingen af ​​nanokrystalbaserede solceller er udfordrende:"Disse solceller indeholder lag af mange individuelle nanostørrelser, bundet sammen af ​​en molekylær lim. Inden for denne nanokrystalkomposit, elektronerne flyder ikke så godt som nødvendigt til kommercielle applikationer, "forklarer Vanessa Wood, Professor i materialer og udstyrsteknik ved ETH Zürich. Indtil nu, elektrontransportens fysik i dette komplekse materialesystem blev ikke forstået, så det var umuligt systematisk at konstruere bedre nanokrystalkompositter.

Wood og hendes kolleger gennemførte en omfattende undersøgelse af nanokrystal solceller, som de fremstillede og karakteriserede i deres laboratorier ved ETH Zürich. De var i stand til at beskrive elektrontransporten i disse celletyper via en generelt anvendelig fysisk model for første gang. "Vores model er i stand til at forklare virkningen af ​​at ændre nanokrystalstørrelse, nanokrystal materiale, eller bindemolekyler på elektrontransport, "siger Wood. Modellen vil give forskere inden for forskningsområdet en bedre forståelse af de fysiske processer inde i nanokrystal solceller og gøre dem i stand til at forbedre solcelleeffektiviteten.

Lovende udsigter takket være kvanteeffekter

Grunden til mange solcelleforskeres begejstring for de små krystaller er, at kvantfysikkens virkninger i små dimensioner spiller ind, som ikke observeres i halvledere i bulk. Et eksempel er, at nanokrystallernes fysiske egenskaber afhænger af deres størrelse. Og fordi forskere let kan kontrollere nanokrystalstørrelse i fremstillingsprocessen, de er også i stand til at påvirke egenskaberne af nanokrystal halvledere og optimere dem til solceller.

En sådan egenskab, der kan påvirkes ved at ændre nanokrystalstørrelse, er mængden af ​​solspektrum, der kan absorberes af nanokrystaller og omdannes til elektricitet af solcellen. Halvledere absorberer ikke hele sollysets spektrum, men snarere kun stråling under en bestemt bølgelængde, eller - med andre ord - med en energi, der er større end halvlederens såkaldte båndgabsenergi. I de fleste halvledere, denne tærskel kan kun ændres ved at ændre materialet. Imidlertid, til nanokrystalkompositter, tærsklen kan ændres ganske enkelt ved at ændre størrelsen på de enkelte krystaller. Således kan forskere vælge størrelsen af ​​nanokrystaller på en sådan måde, at de absorberer den maksimale mængde lys fra en bred vifte af sollysets spektrum.

En yderligere fordel ved nanokrystal halvledere er, at de absorberer meget mere sollys end traditionelle halvledere. For eksempel, absorptionskoefficienten for blysulfid -nanokrystaller, brugt af ETH -forskerne i deres eksperimentelle arbejde, er flere størrelsesordener større end siliciumhalvledere, bruges traditionelt som solceller. Dermed, en relativt lille mængde materiale er tilstrækkelig til produktion af nanokrystal solceller, gør det muligt at gøre meget tyndt, fleksible solceller.

Behov for større effektivitet

Den nye model fremsat af ETH -forskerne besvarer en række tidligere uløste spørgsmål vedrørende elektrontransport i nanokrystalkompositter. For eksempel, indtil nu, der eksisterede ingen eksperimentelle beviser for at bevise, at båndgabsenergien for en nanokrystalkomposit afhænger direkte af båndgabsenergien for de enkelte nanokrystaller. "For første gang, vi har eksperimentelt vist, at dette er tilfældet, "siger Wood.

I løbet af de sidste fem år har det er lykkedes forskere i høj grad at øge effektiviteten af ​​nanokrystal solceller, men selv i de bedste af disse solceller bliver kun 9 procent af det indfaldende sollys på cellen omdannet til elektrisk energi. "For at vi kan begynde at overveje kommercielle applikationer, vi skal opnå en effektivitet på mindst 15 procent, "forklarer Wood. Hendes gruppes arbejde bringer forskere et skridt tættere på at forbedre elektrontransporten og solcellernes effektivitet.