Een bij KAUST ontwikkeld proces voor het afzetten van extreem dunne en gladde films kan het eenvoudiger maken om stabiele zonnecellen te maken op basis van quantum dot-technologie.

Colloïdale kwantumdots zijn kleine halfgeleiderdeeltjes die licht kunnen absorberen over een breed scala aan golflengten. Omdat deze stippen gemakkelijk te mengen zijn in vloeibare oplosmiddelen, onderzoekers hebben ze gebruikt als 'zonne-inkten' die op buigbare plastic vellen kunnen worden afgedrukt. Echter, vroege prototypes onthulden dat blootstelling aan lucht en ultraviolette straling het vermogen van de cel om zonlicht om te zetten in elektriciteit verminderde.

"Vóór 2014, colloïdale quantum dot-zonnecellen waren erg onstabiel en konden niet overleven buiten een gecontroleerde stikstofomgeving, ", zegt KAUST alum Ahmad Kirmani. "Deze situatie veranderde met de ontwikkeling van een nieuwe architectuur die zowel de stabiliteit van het apparaat als de efficiëntie van de stroomconversie verbeterde."

De nieuwste quantum dot-zonnecellen klemmen de kleine deeltjes tussen twee films die elektronen- of gatentransporterende lagen worden genoemd. Deze coatings zijn ontworpen om snel negatieve of positieve ladingen die worden gegenereerd door foto-excited dots naar een extern circuit te extraheren. In aanvulling, de lagen bieden de broodnodige bescherming tegen externe elementen.

Kirmani en zijn collega's realiseerden zich dat het verminderen van de grootte van de elektronentransporterende laag de prestaties van kwantumdot-zonnecellen zou kunnen verbeteren. Deze films bevatten vaak ultraviolet-gevoelige materialen, zoals zinkoxide, en moeten doorgaans meer dan 100 nanometer dik zijn om de vorming van defecten te voorkomen die het apparaat kunnen kortsluiten. In tegenstelling tot, dunnere films zijn wenselijker omdat ze fotogegenereerde elektronen met hogere snelheden kunnen extraheren.

Het KAUST-team ontwikkelde een tweestapstechniek om ultradunne films te produceren die glad genoeg zijn voor een efficiënte verzameling van elektronen. Eerst, ze zetten een indiumoxidecoating af op een transparante elektrode om een ​​sterk geordende filmgroei te bevorderen. Een tweede afzetting van zinkoxide, slechts 20 nanometer hoog, verzegelde eventuele poreuze defecten en genereerde een extreem uniforme interface.

"In eerste instantie we worstelden met de reproduceerbaarheid van het apparaat vanwege onregelmatigheden aan het oppervlak, ", zegt Kirmani. "Ultradunne films, echter, hecht beter aan de ondergrond. Door de oplossingsconcentraties te optimaliseren, we hebben mechanische spanningen verlicht om zeer vlakke films te fabriceren."

Vergelijkingen met een controleapparaat toonden aan dat de ultradunne elektronentransporterende laag net zo efficiënt werkte als een dikkere zinkoxidefilm. Verrassend genoeg, de mix van zink- en indiumoxiden in de nieuwe zonnecel verlengde de houdbaarheid, operationele stabiliteit en tolerantie voor ultraviolette stralen - voordelen die het team gedeeltelijk toeschrijft aan verbeterde optische transmissie door het apparaat.