De race om steeds hogere fotovoltaïsche conversieratio's te bereiken is, bij wijze van spreken, een heet onderzoeksgebied. Eén onderzoekslijn heeft zich gericht op: kwantumstippen – halfgeleider nanokristallen met een diameter van minder dan 2-10 nanometer (ongeveer 10-50 atomen) waarin de elektronenbeweging in alle drie de dimensies is beperkt – als de fundamentele elementen van zonneceltechnologie op nanoschaal.

Soms genoemd kunstmatige atomen , nanodeeltjes bestaande uit cadmium, zink, tellurium, selenium, zwavel en andere verbindingen zijn zo minuscuul dat het toevoegen of verwijderen van een enkel elektron een significante verandering betekent - een eigenschap die ze niet alleen geschikt maakt als componenten van geavanceerde zonnecellen, maar ook in solid state verlichting, medische sensoren en andere toepassingen.

Vooral, colloïdale kwantumstippen (CQD's) - gesynthetiseerd uit een driecomponentensysteem bestaande uit:voorlopers, organische oppervlakteactieve stoffen, en oplosmiddelen - kunnen worden aangepast door hun grootte te wijzigen, waardoor in fotovoltaïsche structuren hun spectrale respons naar behoefte kan worden aangepast. Onlangs, onderzoekers van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Toronto hebben de eerste CQD tandem-zonnecellen gedemonstreerd (een reeks verbonden zonnecellen waarbij het toevoegen van meer apparaten ervoor zorgt dat elk apparaat kan worden geoptimaliseerd tot een smaller spectrum, wat een hoger algemeen rendement oplevert ) met behulp van de grootte-effect-afstemming van een enkel CQD-materiaal, lood(II)sulfide (PbS). Hun vermogen om CQD-films af te stemmen, kan tandem en multi-junction zonnecellen (vervaardigd door het combineren van CQD's van verschillende groottes) om de conversielimieten voor zonnecellen te verhogen van de huidige 31% naar 42% 49%, respectievelijk.

Het onderzoek – geleid door Prof. Edward H. Sargent, samen met Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, en andere onderzoekers van de Universiteit van Toronto – de moeilijkheden overwonnen die werden ondervonden door eerder CQD fotovoltaïsch onderzoek, die werden geblokkeerd door een ontbrekend sleutelstuk:de kruising – het verbindingspunt – tussen de voorste en achterste cellen. “Voorafgaand aan onze krant, " zegt Sargent, "er waren geen eerdere meldingen geweest van een colloïdale kwantumdot-zonnecel die efficiënt overeenkomt met de stromen aan de voorkant, of zichtbare golflengte-bandgap, cel, en de achterste infrarood-bandgap-cel, en dat somt met succes de spanningen in elke cel op. We hebben een nieuwe techniek ontwikkeld – die we de . noemen Gegradeerde recombinatielaag - dat de voor- en achtercellen verbindt zonder in wezen prestatieverlies door een reeks materialen die geleidelijk de activiteit van de voorcellen overdragen naar die van de achtercel.

De sleutel is dat deze stapel materialen zeer transparant is, en bleek daarom zeer effectief bij het bouwen van de eerste efficiënte colloïdale kwantumdot-tandemcel. Op dit punt, voegt Sargent toe, "De belangrijkste geavanceerde behoefte in CQD-fotovoltaïsche energie is verbeterd transport binnen de colloïdale kwantumdotlaag zelf. Dit komt zowel single-junction als multi-junction zonnecellen ten goede.”

Op het gebied van toepassingen, Sargent merkt op:"Zodra we de 10% conversie-efficiëntie van zonne-energie overschrijden (tegenwoordig zijn de beste rapporten voor CQD-fotovoltaïsche dus we hebben nog een weg te gaan), zullen we klaar zijn om flexibele, grote zonnecellen tegen lage kosten. specifiek, Onze beoogde efficiëntie in combinatie met onze lage materiaal- en productiekosten zal leiden tot een dramatische verbetering van de totale geïnstalleerde kosten per Watt*piek.”

Het volgt, dan, dat CQD fotovoltaïsche installaties vatbaar zijn voor aanzienlijke schaalvergroting. “Zelfs in het R&D-lab, Sargent wijst erop, “we synthetiseren in elke run genoeg colloïdale kwantumdots om een ​​vierkante meter oppervlak te bedekken met een volledige lichtabsorbeerder. Er moet nog gewerkt worden aan de ontwikkeling van de laatste dunne-film-verwerkingsbenaderingen die compatibel zijn met roll-to-roll verwerking van grote oppervlakken.”

Sargent merkt op dat er enige overlap is met het Photon Enhanced Thermionic Emission (PETE) onderzoek van Stanford University. PETE verhoogt de energieconversie-efficiëntie van thermionische apparaten (die warmte omzetten in elektriciteit) geïmplementeerd als topping-cycli voor thermische zonnesystemen, waardoor mogelijk een verdubbeling van de fotovoltaïsche conversieratio's. "Wat onze benaderingen gemeen hebben, is het opsplitsen van het spectrum in twee componenten - de zichtbare hogere energie en de lagere energie maar overvloedige foton-fluence, of flux, infrarood. Dat gezegd hebbende, benadrukt hij, “Er zijn ook belangrijke verschillen:onze aanpak vereist geen optische concentratie, terwijl PETE dat doet. Ook, die van ons werkt het beste bij typische omgevingstemperaturen; PETE vereist dat de kathode werkt bij 600-800ºC.”

Sargent ziet de volgende stappen in het onderzoek van het team als "gericht op de taak om het transport van elektronen en gaten in colloïdale kwantumdotfilms te verbeteren met als doel het maken van bij lage temperatuur verwerkte, flexibel, goedkope zonnecellen die meer dan 10% zonne-energie conversie-efficiëntie overschrijden.”

Copyright 2011 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.