Nanocristalli semiconduttori colloidali irradiati con luce ultravioletta. Il confinamento quantistico fa sì che l'energia del gap di banda vari con la dimensione del nanocristallo. Ogni vial contiene un campione monodisperso di nanocristalli dispersi in un solvente liquido. Immagine per gentile concessione di Wikipedia (c) walkman16
La corsa al raggiungimento di rapporti di conversione fotovoltaica sempre più elevati è, per così dire, una zona calda di ricerca. Una linea di ricerca si è concentrata su punti quantici – nanocristalli semiconduttori di diametro inferiore a 2-10 nanometri (circa 10-50 atomi) in cui il movimento degli elettroni è confinato in tutte e tre le dimensioni – come elementi fondamentali della tecnologia delle celle solari su scala nanometrica.
A volte chiamato atomi artificiali , nanoparticelle composte da cadmio, zinco, tellurio, selenio, lo zolfo e altri composti sono così minuscoli che l'aggiunta o la rimozione di un singolo elettrone rappresenta un cambiamento significativo, una proprietà che li rende adatti non solo come componenti di celle solari avanzate, ma anche nell'illuminazione a stato solido, sensori medici e altre applicazioni.
In particolare, punti quantici colloidali (CQDs) – sintetizzato da un sistema a tre componenti composto da:precursori, tensioattivi organici, e solventi – possono essere regolati modificandone le dimensioni, che nelle strutture fotovoltaiche consente di adattare la loro risposta spettrale secondo necessità. Recentemente, i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università di Toronto hanno dimostrato le prime celle solari tandem CQD (una serie di celle solari collegate in cui l'aggiunta di più dispositivi consente di ottimizzare ogni dispositivo su uno spettro più ristretto dando una maggiore efficienza complessiva ) utilizzando l'accordatura effetto dimensione di un singolo materiale CQD, solfuro di piombo (II) (PbS). La loro capacità di mettere a punto i film CQD può consentire tandem e celle solari multigiunzione (realizzato combinando CQD di diverse dimensioni) per aumentare i limiti di conversione delle celle solari dal suo attuale 31% al 42% 49%, rispettivamente.
La ricerca – guidata dal Prof. Edward H. Sargent, insieme a Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, e altri ricercatori dell'Università di Toronto – hanno superato le difficoltà incontrate dalla precedente ricerca fotovoltaica CQD, che erano murate da un pezzo chiave mancante:la giunzione – il punto di connessione – tra le celle anteriore e posteriore. “Prima del nostro giornale, "dice Sargent, "non c'erano state segnalazioni precedenti di una cella solare colloidale a punti quantici che corrispondesse in modo efficiente alle correnti nella parte anteriore, o gap di lunghezza d'onda visibile, cellula, e la cella posteriore a banda proibita a infrarossi, e che somma con successo le tensioni in ogni cella. Abbiamo sviluppato una nuova tecnica, che chiamiamo Strato di ricombinazione graduata – che collega le cellule anteriori e posteriori essenzialmente senza alcuna perdita di prestazioni attraverso una serie di materiali che trasferiscono gradualmente l'attività della cellula anteriore a quella della cellula posteriore.
La chiave è che questa pila di materiali è altamente trasparente, e quindi si è dimostrato altamente efficace nella costruzione della prima cella tandem colloidale a punti quantici efficiente. A questo punto, aggiunge Sargent, “La principale esigenza avanzata nel fotovoltaico CQD è il miglioramento del trasporto all'interno dello stesso strato di punti quantici colloidale. Ciò andrà a beneficio delle celle solari a giunzione singola e multi-giunzione allo stesso modo”.
In termini di applicazioni, Sargent osserva che "Una volta superata l'efficienza di conversione dell'energia solare del 10% (oggi i migliori rapporti per il fotovoltaico CQD sono 5,6%, quindi abbiamo ancora molta strada da fare), saremo pronti a creare flessibili, celle solari di grande superficie a basso costo. Nello specifico, L'efficienza del nostro obiettivo combinato con i nostri materiali bassi e i costi di produzione porterà a un notevole miglioramento del costo complessivo di installazione per Watt * picco.
Funzioni d'onda di elettroni confinati 3D in un Quantum Dot. Qui, sono mostrati punti quantici rettangolari e triangolari. Gli stati energetici nei punti rettangolari sono più "tipo s" e "tipo p". Però, in un punto triangolare le funzioni d'onda si mescolano per simmetria di confinamento. Immagine per gentile concessione di Wikipedia (c) Saumitra R Mehrotra e Gerhard Klimeck nanohub.org/resources/8805
Segue, poi, che il fotovoltaico CQD è suscettibile di ridimensionamento significativo. “Anche nel laboratorio di ricerca e sviluppo, "Sargent sottolinea, “sintetizziamo abbastanza punti quantici colloidali in ogni corsa per coprire un metro quadrato di superficie con un assorbitore di luce completo. Resta da fare per sviluppare gli approcci finali alla lavorazione del film sottile che siano compatibili con l'elaborazione roll-to-roll di grandi aree”.
Sargent nota che c'è una certa sovrapposizione con la ricerca Photon Enhanced Thermionic Emission (PETE) della Stanford University. PETE aumenta l'efficienza di conversione energetica dei dispositivi termoionici (che convertono il calore in elettricità) implementati come cicli di rabbocco per impianti solari termici, potenzialmente raddoppiando così i rapporti di conversione fotovoltaica. “Ciò che i nostri approcci hanno in comune è dividere lo spettro in due componenti:quella visibile a più alta energia e quella a bassa energia ma con abbondante fotone, o flusso, infrarossi. Detto ciò, "sottolinea, “ci sono anche importanti differenze:il nostro approccio non richiede concentrazione ottica, mentre PETE lo fa. Anche, il nostro funziona meglio a temperature ambiente tipiche; PETE richiede che il catodo operi a 600-800ºC.”
Sargent vede i prossimi passi nella ricerca del team come "incentrati sul compito di migliorare il trasporto di elettroni e lacune all'interno di pellicole di punti quantici colloidali con l'obiettivo di produrre, flessibile, celle solari a basso costo che superano il 10% di efficienza di conversione dell'energia solare.”
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