Oplossingsverwerkte halfgeleiders, inclusief materialen zoals perovskieten en kwantumdots (d.w.z. kleine deeltjes materie in het kwantumregime), zijn stoffen met een geleidbaarheid tussen die van isolatoren en die van de meeste metalen. Dit type halfgeleiders is bijzonder veelbelovend gebleken voor de ontwikkeling van nieuwe opto-elektronische apparaten die goed presteren en lage fabricagekosten hebben.

Onlangs, sommige studies hebben de voordelen benadrukt van het fabriceren van halfgeleiders door colloïdale kwantumdots (CQD's) te combineren, nanodeeltjes die infraroodfotonen kunnen oogsten, en organische chromoforen, delen van een molecuul die zichtbaar licht fotonen absorberen en kleur geven aan het molecuul. Niettemin, tot dusver, hybride fotovoltaïsche cellen op basis van CQD's en chromoforen hebben slechts een stroomconversie-efficiëntie (PCE's) van minder dan 10 procent behaald vanwege een chemische mismatch tussen verschillende componenten en uitdagingen bij het verzamelen van lading.

Onderzoekers van de Universiteit van Toronto en KAIST in Zuid-Korea hebben onlangs een hybride architectuur ontwikkeld die deze beperkingen overwint door kleine moleculen in een CQD/organische gestapelde structuur te introduceren. De hybride zonnecellen die ze maakten, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , behaalde opmerkelijke PCE's die behouden blijven, zelfs na lange perioden van continu gebruik.

"De eerste uitdaging van deze studie was om de voordelen van de brede foto-absorberende band van CQD's en de sterke (maar smallere) absorptiecoëfficiënt van organische moleculen te combineren om een ​​fotovoltaïsch platform met hogere prestaties te creëren, "Se-Woong Baek, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore.

De onderzoekers lieten zich inspireren door een onderzoek dat bijna twee decennia geleden werd uitgevoerd door een onderzoeksteam van Berkeley National Laboratory, die het potentieel aantoonde van het gebruik van halfgeleider nanostaafjes en polymeren om hybride zonnecellen te fabriceren. Terwijl het team van Berkeley Lab en verschillende anderen probeerden organische moleculen te combineren met CQD's, Baek en zijn collega's vonden dit moeilijk te realiseren, omdat de apparaatprestaties die werden behaald door hun hybride architecturen lager waren dan die van typische organische of alleen CQD-halfgeleiders. Dus, ze wilden het potentieel van CQD/organische halfgeleiders verder onderzoeken, proberen de beperkingen van eerder ontwikkelde architecturen te overwinnen.

Om zonnecellen goed te laten presteren, ze moeten in staat zijn om de lichtabsorptie te maximaliseren en deze efficiënt om te zetten in elektrische stroom. De hybride zonnecellen die door Baek en zijn collega's zijn ontwikkeld, hebben een kleine molecuulbrug die de CQD-absorptie aanvult, die op zijn beurt een excitorcascade creëert met het gastheerpolymeer. Dit resulteert in een efficiëntere energieoverdracht dan waargenomen in andere hybride architecturen.

"De structuur die we hebben ontwikkeld, kan een hoge lichtoogst-efficiëntie bereiken via een extra organische laag, met een sterke absorptiecoëfficiënt aan de achterkant en een primaire breedbandabsorptie door CQD aan de voorkant, " legde Baek uit. "Het grootste voordeel van de resulterende zonnecellen is dat ze ons in staat stellen de fotorespons van CQD te programmeren door het formaat te wijzigen en het te combineren met geschikte organische moleculen."

De unieke structuur van de zonnecellen die door Baek en zijn collega's zijn ontwikkeld, zorgt voor meer vrijheid bij het programmeren van hun functies in vergelijking met andere typen hybride zonnecellen. In aanvulling, hierdoor kunnen de zonnecellen een goed rendement behouden gedurende langere perioden van continu gebruik.

"Veel eerdere onderzoeken hebben een brede en hoge absorptie gerapporteerd door een combinatie van CQD en polymeren, maar hun prestaties waren minder efficiënt vanwege de lage efficiëntie van de ladingextractie, " zei Baek. "Door de derde component te introduceren, een kleine molecuulbrug, in CQD/polymeer hybride heterostructuur, we hebben een onderliggend mechanisme onthuld dat zowel ladingextractie als absorptie vergemakkelijkt, waardoor PCE's worden verbeterd."

In de toekomst, deze zonnecellen kunnen worden gebruikt om fotovoltaïsche panelen te fabriceren die zowel kwantumdots als chromoforen gebruiken, maar die hogere efficiënties bereiken dan die waargenomen in eerder ontwikkelde hybride architecturen. Tot dusver, de door hen voorgestelde CQD-organische structuur heeft een absorptieband tot 1100 nanometer. In hun volgende studies, ze willen dus de structuur aanpassen of alternatieve hybride architecturen ontwikkelen om bredere absorptiebanden te bereiken.

"Eventueel, deze structuur kan worden gecombineerd met perovskiet-zonnecellen met een hoge bandgap, bijvoorbeeld, door een achterste celplatform te ontwerpen als een tandemstructuur die de absorptie van de nabij-infraroodband kan versterken, waar perovskiet niet absorbeert, " zei Baek. "Theoretisch, een efficiëntie van 15 procent kan worden toegevoegd aan de perovskiet-zonnecel wanneer we onze hybride structuur combineren als een achtercel of tandemstructuur."

© 2019 Wetenschap X Netwerk