Quantum dot solcellevinduer bliver ikke-giftige, farveløs, med rekordeffektivitet

En selvlysende solcellekoncentrator er en ny teknologi til høst af sollys, der har potentialet til at forstyrre den måde, vi tænker på energi på; Det kan forvandle ethvert vindue til en strømkilde i dagtimerne.

"I disse enheder, en brøkdel af lyset, der transmitteres gennem vinduet, absorberes af partikler i nanostørrelse (halvlederkvanteprikker) spredt i et glasvindue, genudsendes ved den infrarøde bølgelængde, der er usynlig for det menneskelige øje, og bølgestyret til en solcelle i kanten af ​​vinduet, " sagde Victor Klimov, ledende forsker på projektet ved Department of Energy's Los Alamos National Laboratory. "Ved at bruge dette design, et næsten gennemsigtigt vindue bliver til en elektrisk generator, en, der kan forsyne dit værelses klimaanlæg på en varm dag eller et varmeapparat på en kold."

Dette er, hvad der bliver muligt med nye enheder - kvantepunkt-LSC'er - som vil være tilgængelige i journalen Natur nanoteknologi i undersøgelsen "Højeffektive farveløse selvlysende solkoncentratorer med stort område ved hjælp af tungmetalfri kolloide kvanteprikker". Arbejdet blev udført af forskere ved Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) i Los Alamos, ledet af Klimov og forskerholdet koordineret af Sergio Brovelli og Francesco Meinardi fra Institut for Materialevidenskab ved Universitetet i Milano-Bicocca (UNIMIB) i Italien.

I april 2014 ved hjælp af specielle sammensatte kvanteprikker, det amerikansk-italienske samarbejde demonstrerede det første eksempel på luminescerende solkoncentratorer med stort område fri for reabsorptionstab af det guidede lys fra nanopartiklerne. Dette repræsenterede et grundlæggende fremskridt i forhold til den tidligere teknologi, som var baseret på organiske emittere, der gjorde det muligt at realisere koncentratorer på kun få centimeter store.

Imidlertid, kvanteprikkerne brugt i tidligere proof-of-principe-enheder var stadig uegnede til virkelige applikationer, da de var baseret på det giftige tungmetal cadmium og var i stand til kun at absorbere en lille del af sollyset. Dette resulterede i begrænset lyshøsteffektivitet og stærk gul/rød farve af koncentratorerne, hvilket komplicerede deres anvendelse i boligmiljøer.

Klimov, CASPs direktør, forklaret, hvordan den opdaterede tilgang løser farveproblemet:"Vores nye enheder bruger kvanteprikker af en kompleks sammensætning, som inkluderer kobber (Cu), indium (In), selen (Se) og svovl (S). Denne sammensætning forkortes ofte som CISeS. Vigtigt, disse partikler indeholder ingen giftige metaller, der typisk er til stede i tidligere påviste LSC'er."

"Desuden, " Klimov bemærkede, "CISeS kvanteprikker giver en ensartet dækning af solspektret, således kun tilføje en neutral farvetone til et vindue uden at indføre nogen forvrængning af opfattede farver. Ud over, deres nær-infrarøde emission er usynlig for et menneskeligt øje, men er samtidig ideel til de fleste almindelige solceller baseret på silicium."

Francesco Meinardi, professor i fysik ved UNIMIB, beskrev det nye arbejde, bemærker, "For at denne teknologi skal forlade forskningslaboratorierne og nå sit fulde potentiale inden for bæredygtig arkitektur, det er nødvendigt at realisere ikke-giftige koncentratorer, der er i stand til at høste hele solspektret."

"Vi skal stadig bevare nøgleevnen til at transmittere den guidede luminescens uden reabsorptionstab, selvom, for at komplementere høj solcelleeffektivitet med dimensioner, der er kompatible med rigtige vinduer. Den æstetiske faktor er også af afgørende betydning for ønskværdigheden af ​​en ny teknologi, " sagde Meinardi.

Hunter McDaniel, tidligere Los Alamos CASP-postdoktor og i øjeblikket en kvantepunkt-iværksætter (UbiQD-grundlægger og præsident), tilføjet, "med en ny klasse af lavpris, lavrisiko kvanteprikker sammensat af CISeS, vi har overvundet nogle af de største vejspærringer for kommerciel udbredelse af denne teknologi."

"Et af de resterende problemer at tackle er at reducere omkostningerne, men allerede dette materiale er betydeligt billigere at fremstille end alternative kvanteprikker brugt i tidligere LSC-demonstrationer, " sagde McDaniel.

Et nøgleelement i dette arbejde er en procedure, der kan sammenlignes med den industrielle cellestøbningsmetode, der anvendes til fremstilling af polymervinduer af høj optisk kvalitet. Det involverer en ny UNIMIB-protokol til indkapsling af kvanteprikker i en transparent polymermatrix af høj optisk kvalitet. Polymeren anvendt i denne undersøgelse er et tværbundet polylaurylmethacrylat, som tilhører familien af ​​acrylatpolymerer. Dens lange sidekæder forhindrer agglomerering af kvanteprikkerne og giver dem det "venlige" lokalmiljø, som svarer til den oprindelige kolloide suspension. Dette gør det muligt at bevare lysemissionsegenskaberne af kvanteprikkerne ved indkapsling i polymeren.

Sergio Brovelli, ledende forsker på det italienske hold, konkluderede:"Quantum dot solar vinduesteknologi, hvoraf vi havde demonstreret gennemførligheden for blot et år siden, nu bliver en realitet, der kan overføres til industrien på kort til mellemlang sigt, giver os mulighed for at konvertere ikke kun hustage, som vi gør nu, men hele kroppen af ​​bybygninger, herunder vinduer, ind i solenergigeneratorer."

"Dette er især vigtigt i tætbefolkede byområder, hvor tagfladerne er for små til at opsamle al den energi, der kræves til bygningsdriften, " sagde han. Han foreslår, at holdets vurderinger indikerer, at ved at erstatte den passive ruder på en skyskraber, såsom One World Trade Center i NYC (72, 000 kvadratmeter fordelt på 12, 000 vinduer) med vores teknologi, det ville være muligt at generere, hvad der svarer til energibehovet for over 350 lejligheder.

"Føj til disse bemærkelsesværdige tal, den energi, der ville blive sparet ved det reducerede behov for aircondition takket være filtreringseffekten fra LSC, som sænker opvarmningen af ​​indendørs rum med sollys, og du har en potentielt spilskiftende teknologi mod "net-nul" energibyer, " sagde Brovelli.