Onderzoekers van de Universiteit van Toronto en King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) hebben een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van colloïdale kwantumdot (CQD) films, wat leidt tot de meest efficiënte CQD-zonnecel ooit. Hun werk is te zien in een brief gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

De onderzoekers, onder leiding van U of T Engineering Professor Ted Sargent, creëerde een zonnecel uit goedkope materialen die werd gecertificeerd met een wereldrecord efficiëntie van 7,0%.

"Eerder, quantum dot zonnecellen zijn beperkt door de grote interne oppervlakten van de nanodeeltjes in de film, waardoor het winnen van elektriciteit moeilijk was, " zei dr. Susanna Thon, een hoofd co-auteur van het papier. "Onze doorbraak was om een ​​combinatie van organische en anorganische chemie te gebruiken om alle blootgestelde oppervlakken volledig te bedekken."

Quantum dots zijn halfgeleiders van slechts enkele nanometers groot en kunnen worden gebruikt om elektriciteit uit het hele zonnespectrum te oogsten - inclusief zichtbare en onzichtbare golflengten. In tegenstelling tot de huidige langzame en dure groeitechnieken voor halfgeleiders, CQD-films kunnen snel en tegen lage kosten worden gemaakt, vergelijkbaar met verf of inkt. Dit onderzoek maakt de weg vrij voor zonnecellen die op flexibele substraten kunnen worden gefabriceerd op dezelfde manier waarop kranten snel in grote hoeveelheden worden gedrukt.

De U of T-cel vertegenwoordigt een efficiëntieverhoging van 37% ten opzichte van het vorige gecertificeerde record. Om de efficiëntie te verbeteren, de onderzoekers hadden een manier nodig om zowel het aantal "vallen" voor elektronen die verband houden met een slechte oppervlaktekwaliteit te verminderen, en er tegelijkertijd voor te zorgen dat hun films zeer dicht waren om zoveel mogelijk licht te absorberen. De oplossing was een zogenaamd "hybride passiveringsschema".

"Door onmiddellijk na het synthetiseren van de stippen kleine chlooratomen te introduceren, we zijn in staat om de voorheen onbereikbare hoeken en gaten te repareren die leiden tot elektronenvallen, "Verklaarde doctoraatsstudent en hoofdco-auteur Alex Ip. "We volgen dat door korte organische linkers te gebruiken om kwantumstippen in de film dichter bij elkaar te binden."

Onderzoek onder leiding van professor Aram Amassian van KAUST toonde aan dat de uitwisseling van organische liganden nodig was om de dichtste film te verkrijgen.

"De KAUST-groep gebruikte ultramoderne synchrotron-methoden met een resolutie van minder dan nanometer om de structuur van de films te onderscheiden en te bewijzen dat de hybride passiveringsmethode leidde tot de dichtste films met de dichtst opeengepakte nanodeeltjes, " verklaarde professor Amasian.

De vooruitgang opent vele wegen voor verder onderzoek en verbetering van de efficiëntie van het apparaat, die kunnen bijdragen aan een mooie toekomst met betrouwbare, goedkope zonne-energie.

Volgens professor Sargent, "Onze wereld heeft dringend behoefte aan innovatieve, kosteneffectieve manieren om de overvloedige energie van de zon om te zetten in bruikbare elektriciteit. Dit werk laat zien dat de overvloedige materiaalinterfaces binnen colloïdale kwantumstippen op een robuuste manier kunnen worden beheerst, waaruit blijkt dat lage kosten en gestaag verbeterende efficiëntie kunnen worden gecombineerd."