Semiconduttori processati in soluzione, inclusi materiali come perovskiti e punti quantici (cioè, piccole particelle di materia nel regime quantistico delle dimensioni), sono sostanze con una conducibilità compresa tra quella degli isolanti e quella della maggior parte dei metalli. Questo tipo di semiconduttori si è rivelato particolarmente promettente per lo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici con buone prestazioni e bassi costi di produzione.

Recentemente, alcuni studi hanno evidenziato i vantaggi della fabbricazione di semiconduttori combinando punti quantici colloidali (CQD), nanoparticelle in grado di raccogliere fotoni infrarossi, e cromofori organici, parti di una molecola che assorbono i fotoni della luce visibile e danno colore alla molecola. Ciò nonostante, finora, il fotovoltaico ibrido basato su CQD e cromofori ha raggiunto solo efficienze di conversione di potenza (PCE) inferiori al 10% a causa di una mancata corrispondenza chimica tra i diversi componenti e delle difficoltà nel consentire la raccolta di carica.

I ricercatori dell'Università di Toronto e del KAIST in Corea del Sud hanno recentemente sviluppato un'architettura ibrida che supera queste limitazioni introducendo piccole molecole in una struttura impilata CQD/organica. Le celle solari ibride che hanno creato, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , raggiunto notevoli PCE che vengono mantenuti anche dopo lunghi periodi di funzionamento continuo.

"La prima sfida di questo studio è stata quella di combinare i vantaggi dell'ampia banda fotoassorbente dei CQD e il forte (ma più stretto) coefficiente di assorbimento delle molecole organiche per creare una piattaforma fotovoltaica dalle prestazioni più elevate, "Se Woong Baek, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore.

I ricercatori hanno tratto ispirazione da uno studio condotto da un gruppo di ricerca del Berkeley National Laboratory quasi due decenni fa, che ha dimostrato il potenziale dell'utilizzo di nanobarre semiconduttori e polimeri per fabbricare celle solari ibride. Mentre il team del Berkeley Lab e molti altri hanno cercato di combinare molecole organiche con CQD, Baek e i suoi colleghi hanno ritenuto che questo fosse difficile da raggiungere, poiché le prestazioni dei dispositivi ottenute dalle loro architetture ibride erano inferiori rispetto ai tipici semiconduttori organici o solo CQD. Così, si sono proposti di indagare ulteriormente sul potenziale di CQD/semiconduttori organici, cercando di superare i limiti delle architetture sviluppate in precedenza.

Affinché le celle solari funzionino bene, dovrebbero essere in grado di massimizzare l'assorbimento della luce e convertirlo in modo efficiente in corrente elettrica. Le celle solari ibride sviluppate da Baek e dai suoi colleghi hanno un piccolo ponte molecolare che integra l'assorbimento CQD, che a sua volta crea una cascata di eccitatori con il polimero ospite. Ciò si traduce in un trasferimento di energia più efficiente di quello osservato in altre architetture ibride.

"La struttura che abbiamo sviluppato può raggiungere un'elevata efficienza di raccolta della luce tramite uno strato organico aggiuntivo, che ha un forte coefficiente di assorbimento sul lato posteriore e un assorbimento primario a banda larga da parte di CQD vicino al lato anteriore, " Ha spiegato Baek. "Il vantaggio più forte delle celle solari risultanti è che ci permettono di programmare la foto-risposta della CQD ridimensionandola e combinandola con molecole organiche adatte".

La struttura unica delle celle solari sviluppata da Baek e dai suoi colleghi consente maggiori gradi di libertà nella programmazione delle loro funzioni rispetto ad altri tipi di celle solari ibride. Inoltre, permette alle celle solari di mantenere una buona efficienza per lunghi periodi di funzionamento continuo.

"Molti studi precedenti hanno riportato un'assorbanza ampia e alta attraverso una combinazione di CQD e polimeri, ma le loro prestazioni erano meno efficienti a causa della bassa efficienza di estrazione della carica, " ha detto Baek. "Introducendo il terzo componente, un piccolo ponte molecolare, in eterostruttura ibrida CQD/polimero, abbiamo rivelato un meccanismo sottostante che facilita l'estrazione di carica e l'assorbimento, migliorando così i PCE."

Nel futuro, queste celle solari potrebbero essere utilizzate per fabbricare pannelli fotovoltaici che utilizzano sia punti quantici che cromofori, ma che raggiungono efficienze più elevate di quelle osservate nelle architetture ibride sviluppate in precedenza. Finora, la struttura CQD-organica che hanno proposto ha una banda di assorbimento fino a 1100 nanometri. Nei loro studi successivi, vorrebbero quindi adattare la struttura o sviluppare architetture ibride alternative per ottenere bande di assorbimento più ampie.

"Infine, questa struttura potrebbe essere combinata con celle solari in perovskite ad alto band-gap, Per esempio, progettando una piattaforma a celle posteriori come una struttura tandem in grado di rafforzare l'assorbimento della banda del vicino infrarosso, dove la perovskite non assorbe, " ha detto Baek. "In teoria, un'efficienza del 15% può essere aggiunta alla cella solare perovskite quando combiniamo la nostra struttura ibrida come una cella posteriore della struttura tandem".

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