(Phys.org)—Gli scienziati hanno scoperto che una cella solare costituita da due o tre strati di punti quantici, con ogni strato sintonizzato su una parte diversa dello spettro solare, ha un'efficienza che è del 40-60% superiore alla somma delle efficienze di celle solari separate ciascuna costituita da uno dei singoli strati. L'effetto sinergico dell'architettura a strati potrebbe portare a nuovi modi di progettare celle solari a punti quantici con elevate efficienze e assorbimento ad ampio spettro.

I ricercatori che hanno progettato e fabbricato le nuove celle solari, Pralay K. Santra e il professor Prashant V. Kamat presso l'Università di Notre Dame in Indiana, voleva testare il concetto precedentemente proposto di una cella solare arcobaleno, che può raccogliere fotoni di tutti i "colori" o lunghezze d'onda dello spettro visibile.

Per fabbricare una cella solare arcobaleno, gli scienziati devono incorporare componenti che raccolgono la luce con varie proprietà per catturare diverse parti dello spettro. Un modo per farlo è usare i punti quantici, che può essere sintonizzato per catturare lunghezze d'onda specifiche della luce. Il modo tipico di sintonizzare il gap di banda di un punto quantico per catturare una particolare lunghezza d'onda della luce è controllare la dimensione del punto durante la sintesi.

Qui, i ricercatori hanno scelto un modo diverso per regolare i gap di banda dei punti:controllando la loro composizione. Tutti i punti quantici che hanno usato erano all'incirca della stessa dimensione (4,5 nm) e fatti di cadmio, selenio, e zolfo, ma la quantità di selenio in ogni punto è stata variata. I punti quantici con le più piccole quantità di selenio avevano i band gap più grandi e catturavano le lunghezze d'onda della luce più corte. Sulla base di questa relazione, i ricercatori hanno sintetizzato tre tipi di punti quantici:verde, che aveva il band gap maggiore; arancia, che aveva un gap di banda intermedio; e rosso, che aveva la banda proibita più piccola.

Dopo aver sintetizzato i punti quantici, i ricercatori li hanno depositati su un TiO ₂ filma uno strato alla volta, a partire dai punti verdi, seguito dall'arancia, e infine rosso. Il film a strati in tandem è stato quindi utilizzato come fotoanodo, che raccoglie la luce in entrata in una cella solare.

"Al meglio delle nostre conoscenze, questo è il primo approccio sistematico di deposito di due o più strati di punti per raccogliere in sequenza fotoni in celle solari a punti quantici, "Kamat ha detto Phys.org . "La messa a punto dei gap di banda dei punti quantici variando la composizione è un'idea relativamente nuova ed è stata esplorata da alcuni gruppi".

Durante la sperimentazione con diverse versioni di questa nuova cella solare a strati tandem, i ricercatori hanno scoperto che potevano ottenere le migliori prestazioni con solo due strati:uno strato di puntini arancioni seguito da uno strato di puntini rossi. Questa cella composita ha mostrato un'efficienza del 3,2%, mentre una cella che includeva i punti verdi aveva un'efficienza leggermente inferiore del 3,0%

Ancora più interessante è l'effetto sinergico che gli scienziati hanno scoperto in queste cellule. L'efficienza osservata della cella a strati arancione/rosso del 3,2% è del 41% superiore all'efficienza prevista del 2,27%, che si calcola sommando le efficienze di due celle separate, uno con arancio e uno con puntini rossi. E l'efficienza osservata di una cella con tutti e tre i colori dei punti, 3,0%, è del 60% superiore all'efficienza additiva stimata dell'1,87%.

Sebbene gli scienziati non siano esattamente sicuri di cosa causi gli effetti sinergici, hanno due idee. Una possibilità è che le energie di banda dei punti si allineino in modo tale da consentire una cascata di trasferimento di elettroni da punti con gap di banda maggiore a punti con gap di banda più piccolo, dove si accumulano gli elettroni. L'altra idea riguarda il trasferimento di energia dai punti con gap di banda più grande a punti con gap di banda più piccolo, dove si concentra l'eccitazione. In entrambi gli scenari, gli elettroni o le eccitazioni migliorano il processo di trasferimento degli elettroni, che porta a una maggiore produzione di energia e a maggiori efficienze. Gli scienziati sospettano che entrambi questi percorsi possano lavorare insieme per migliorare le prestazioni.

"Il significato delle celle solari a punti quantici stratificati in tandem deve ancora essere pienamente compreso, " Ha detto Kamat. "Questo è il nostro primo sforzo e apre nuove strade per la progettazione di celle solari ad alta efficienza. La struttura tandem permette un assorbimento selettivo della luce, massimizzando così l'efficienza della conversione dell'energia luminosa. Le perdite di energia derivanti dalla termalizzazione degli elettroni eccitati possono essere notevolmente ridotte con questo semplice approccio".

Basandosi su queste idee, gli scienziati sperano di migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari in futuro.

"Abbiamo ancora bisogno di ulteriori miglioramenti nell'efficienza della conversione di potenza, " ha detto Kamat. "Abbiamo ora avviato un approccio su più fronti per migliorare l'efficienza delle celle solari tandem a punti quantici incorporando punti quantici di materiali diversi (solfuro di indio di rame, seleniuro di cadmio e seleniuro di piombo) ed estendere ulteriormente la fotorisposta nell'infrarosso. Sono in corso misurazioni spettroscopiche per stabilire gli effetti sinergici nelle celle solari tandem a punti quantici".

© 2013 Phys.org