Onderzoekers van de Universiteit van Toronto, de King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) en de Pennsylvania State University (Penn State) hebben de meest efficiënte zonnecel ooit gemaakt op basis van collodial-quatum-dots (CQD). De ontdekking wordt gerapporteerd in het laatste nummer van Natuurmaterialen .

Quantum dots zijn halfgeleiders op nanoschaal die licht opvangen en omzetten in een energiebron. Door hun kleinschaligheid, de stippen kunnen op flexibele oppervlakken worden gespoten, inclusief kunststof. Dit maakt de productie mogelijk van zonnecellen die goedkoper te produceren en duurzamer zijn dan de meer bekende op silicium gebaseerde versie. In het werk dat wordt benadrukt door de Natuurmaterialen paper getiteld "Collodial-quantum-dot photovoltaics using aatomic-ligand passivering, "De onderzoekers laten zien hoe de wikkels die de kwantumstippen inkapselen, kunnen worden teruggebracht tot een laag atomen.

"We hebben bedacht hoe we de passiveringsmaterialen tot de kleinst denkbare maat konden verkleinen, " zegt professor Ted Sargent, corresponderende auteur over het werk en houder van de Canada Research Chair in Nanotechnology aan de U of T.

Een cruciale uitdaging voor het veld was het vinden van een balans tussen gemak en prestaties. Het ideale ontwerp is er een die de kwantumstippen dicht bij elkaar houdt. Hoe groter de afstand tussen quantum dots, hoe lager het rendement.

De kwantumstippen zijn echter meestal afgedekt met organische moleculen die een nanometer of twee toevoegen. Als je op nanoschaal werkt, dat is lomp. Toch zijn de organische moleculen een belangrijk ingrediënt geweest bij het creëren van een colloïde, dat is een stof die is verspreid in een andere stof. Hierdoor kunnen de kwantumstippen op andere oppervlakken worden geverfd.

Het probleem oplossen, de onderzoekers hebben zich tot anorganische liganden gewend, die de kwantumstippen aan elkaar binden terwijl ze minder ruimte innemen. Het resultaat is dezelfde colloïde kenmerken, maar zonder de omvangrijke organische moleculen.

"We hebben een enkele laag atomen om elk deeltje gewikkeld. ze verpakten de kwantumstippen in een zeer dichte vaste stof, " legt Dr. Jiang Tang uit, de eerste auteur van het artikel die het onderzoek uitvoerde terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker was bij de Edward S. Rogers Department of Electrical &Computer Engineering aan de U of T.

Het team toonde de hoogste elektrische stromen, en de hoogste algehele energieconversie-efficiëntie, ooit gezien in CQD-zonnecellen. De prestatieresultaten zijn gecertificeerd door een extern laboratorium, Nieuwpoort, dat is geaccrediteerd door het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory.

"Het team bewees dat we in staat waren om ladingsvallen te verwijderen - locaties waar elektronen vast komen te zitten - terwijl we de kwantumstippen nog steeds dicht bij elkaar houden, " zegt professor John Asbury van Penn State, een co-auteur van het werk.

De combinatie van dichte pakking en eliminatie van ladingsval stelde elektronen in staat snel en soepel door de zonnecellen te bewegen, dus record efficiëntie.

"Deze bevinding bewijst de kracht van anorganische liganden bij het bouwen van praktische apparaten, " zegt professor Dmitri Talapin van de Universiteit van Chicago, wie is een onderzoeksleider in het veld. "Deze nieuwe oppervlaktechemie biedt de weg naar zowel efficiënte als stabiele kwantumdot-zonnecellen. Het zou ook van invloed moeten zijn op andere elektronische en opto-elektronische apparaten die colloïdale nanokristallen gebruiken. Voordelen van de volledig anorganische benadering zijn onder meer een enorm verbeterd elektronisch transport en een pad naar langdurige termijn stabiliteit."

"Bij KAUST konden we visualiseren, met ongelooflijke resolutie op de sub-nanometer lengteschaal, de structuur en samenstelling van deze opmerkelijke nieuwe klasse materialen, " zegt professor Aram Amassian van KAUST, een co-auteur van het werk.

"We hebben bewezen dat de anorganische passiveringen nauw gecorreleerd waren met de locatie van de kwantumstippen; en dat het deze nieuwe benadering van chemische passivering was, in plaats van de ordening van nanokristallen, dat leidde tot deze recordbrekende prestatie van colloïdale kwantumdot-zonnecellen, " hij voegt toe.

Als gevolg van het potentieel van deze onderzoeksontdekking, een technologielicentieovereenkomst is ondertekend door U of T en KAUST, bemiddeld door MaRS Innovations (MI), die de wereldwijde commercialisering van deze nieuwe technologie mogelijk zal maken.

"De wereld - en de markt - hebben innovaties op zonne-energie nodig die het bestaande compromis tussen prestaties en kosten doorbreken. Via U of T's, Mis, en het partnerschap van KAUST, we staan ​​klaar om opwindend onderzoek te vertalen naar tastbare innovaties die kunnen worden gecommercialiseerd, ' zei Sargent.