Als de snelst groeiende energietechnologie ter wereld, zonne-energie blijft verantwoordelijk voor een steeds groter deel van de wereldenergievoorziening. Momenteel, de meeste commerciële fotovoltaïsche energie is afkomstig van bulk halfgeleidermaterialen. Maar de afgelopen jaren is wetenschappers hebben onderzocht hoe halfgeleider-nanostructuren de efficiëntie van zonnecellen en het nieuwere gebied van zonnebrandstoffen kunnen verhogen.

Hoewel er enige controverse is geweest over hoeveel nanowetenschap zonnecellen kan verbeteren, een recent overzicht van dit onderzoek door Arthur Nozik, een onderzoeker aan het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en professor aan de Universiteit van Colorado, toont aan dat halfgeleider nanostructuren een aanzienlijk potentieel hebben voor het omzetten van zonne-energie in elektriciteit.

In zijn overzicht die is gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters , Nozik heeft de huidige status van verschillende benaderingen voor het verbeteren van fotovoltaïsche energie met nanowetenschap samengevat. Zoals hij uitlegt, de voordelen van halfgeleider-nanostructuren komen voort uit de kwantumopsluiting van negatieve elektronen en positieve gaten in zeer kleine ruimtegebieden in de nanokristallen. Kwantumopsluiting kan voorkomen in één, twee of drie dimensies; in drie dimensies, de halfgeleiders worden kwantumstippen genoemd. In welk regime dan ook, de kwantumopsluiting produceert kwantiseringseffecten, wat resulteert in unieke optische en elektronische eigenschappen.

"Er zijn twee belangrijke theoretische voordelen van het opnemen van kwantumstippen in zonnecellen en fotovoltaïsche cellen:hogere efficiëntie en lagere kosten, ” vertelde Nozik aan PhysOrg.com. “Er is een theoretische mogelijkheid op basis van thermodynamische berekeningen om de efficiëntie van de huidige zonnecellen met een zeer significante hoeveelheid van 50-100% te verhogen. In aanvulling, kwantumstippen zouden de kapitaalkosten van de productie van zonnecellen kunnen verlagen in termen van kosten per oppervlakte-eenheid. De combinatie van lagere kosten per oppervlakte-eenheid en hogere conversie-efficiëntie zou de kosten van fotovoltaïsche energie, uitgedrukt als kosten per piekwatt, verlagen. Huidige siliciumcellen zijn duur (ongeveer drie keer de kosten van conventionele elektriciteit), maar kwantumdots zijn gebaseerd op goedkopere chemische methoden bij lage temperatuur, plus ze zouden een hogere conversie-efficiëntie kunnen produceren. Echter, er is nog veel werk aan de winkel voordat kwantumdots commercieel beschikbaar zijn.”

Het basisprincipe van fotovoltaïsche zonnecellen is om fotonen te absorberen van invallende zonnestraling met energieën boven de halfgeleiderbandafstand, en gebruik de fotonen om vrije elektronen en gaten te creëren (ladingsdragers genoemd). Om de efficiëntie van het systeem te verhogen, het is belangrijk om zoveel mogelijk ladingsdragers te vormen uit de geabsorbeerde fotonen. Dit is waar de kwantumbeperkingseffecten erg nuttig worden, omdat de effecten fotogegenereerde elektronen en gaten koppelen aan gebonden elektron-gatparen die excitonen worden genoemd, en de efficiënte vorming van meer dan één exciton uit een enkel geabsorbeerd foton aan te moedigen. In kwantumstippen. het proces wordt multiple exciton generation (MEG) genoemd. Onder zijn voordelen, MEG is efficiënter en kan optreden bij fotonen met lagere energie in het zichtbare deel van het zonnespectrum in vergelijking met een vermenigvuldigingsproces van ladingsdragers in bulkhalfgeleiders (een proces dat impactionisatie wordt genoemd, die over het algemeen beperkt is tot het ultraviolette gebied waar zonnefotonen afwezig of schaars zijn).

Om meerdere excitonen te genereren, het MEG-proces moet concurreren met de snelle afkoeling van aanvankelijke fotogenereerde hoogenergetische excitonen ("hete excitonen" genoemd). De hete excitonen worden gecreëerd door de absorptie van energetische blauwe of bijna-ultraviolette fotonen. In bulkhalfgeleiders bij kamertemperatuur en hoger, de fotogegenereerde elektronen en gaten zijn ontkoppeld en bestaan ​​als vrije ladingsdragers ("hot carriers" genoemd). De overtollige energie van hete excitonen of hete dragers kan hun overtollige kinetische energie snel verliezen door elektron-fonon-interacties en deze omzetten in warmte, wat verantwoordelijk is voor een aanzienlijk verlies aan conversie-efficiëntie. Echter, Nozik merkt op dat, ondanks enige controverse, recente studies hebben aangetoond dat de snelheid van MEG veel sneller kan zijn dan de hete exciton-koelsnelheid, resulterend in een algeheel hogere efficiëntie van de vermenigvuldiging van elektronen-gatparen. Maar ondanks vroege eerste meldingen van kwantumopbrengsten van 200% in foto-elektrochemische kwantumdot-zonnecellen, geen enkel fotovoltaïsch apparaat op basis van kwantumdots heeft tot nu toe een daadwerkelijk verbeterde energieconversie-efficiëntie laten zien dankzij MEG.

"Over het algemeen, het doel is om systemen te produceren die een efficiëntie hebben die dicht bij de theoretische limiet ligt, ' zei Nozik. “Het theoretische rendement is ongeveer 45%, terwijl de laboratoriumefficiëntie van de huidige quantum dot-zonnecellen ongeveer 3-5% is. Dat is een grote kloof; we moeten begrijpen wat de efficiëntie in deze nieuwe benaderingen beperkt.”

Ondanks de controverse over MEG, Nozik concludeert dat de mogelijkheden voor quantum dot zonnecellen en andere nanostructuren die gebruikmaken van quantum opsluiting veelbelovend lijken, hoewel er nog veel werk moet worden verzet. Een probleem dat MEG kan helpen om zijn volledige potentieel te bereiken, is ervoor te zorgen dat de extra excitonen snel worden verzameld, omdat ze binnen ongeveer 20-100 picoseconden na vorming vervallen. Het belangrijkste is, Nozik benadrukt dat onderzoekers moeten streven naar het bereiken van het maximale theoretische rendement van zonnecellen.

"Er is een zekere mate van controverse over deze benaderingen van de derde generatie, omdat ze nieuw zijn en niet volledig worden begrepen, ' zei Nozik. "Vroeger, sommige resultaten konden niet worden gereproduceerd in verschillende laboratoria. Maar nu reproduceren steeds meer mensen de laatste jaren positieve resultaten. Los Alamos en NREL meten deze effecten in een nieuw U.S. DOE Energy Frontier Research Center met verschillende technieken, en krijg hetzelfde antwoord. Het is dus een echt effect, een positieve uitwerking. Echter, sommige mensen zijn nog steeds sceptisch en denken dat we die waarden [van theoretische efficiëntie] nooit zullen bereiken. Maar er is geen fundamentele reden waarom we die waarden niet kunnen bereiken. Er is alleen meer onderzoek voor nodig, meer werk, en meer begrip.”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.