(Phys.org)—Wetenschappers hebben ontdekt dat een zonnecel die bestaat uit twee of drie lagen kwantumstippen, waarbij elke laag is afgestemd op een ander deel van het zonnespectrum, heeft een rendement dat 40-60% hoger is dan de som van de rendementen van afzonderlijke zonnecellen die elk uit één van de afzonderlijke lagen bestaan. Het synergetische effect van de gelaagde architectuur zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om quantum dot-zonnecellen te ontwerpen met hoge efficiëntie en breedspectrumabsorptie.

De onderzoekers die de nieuwe zonnecellen hebben ontworpen en gefabriceerd, Pralay K. Santra en professor Prashant V. Kamat aan de Universiteit van Notre Dame in Indiana, wilde het eerder voorgestelde concept van een regenboogzonnecel testen, die fotonen van alle "kleuren" of golflengten van het zichtbare spectrum kan oogsten.

Om een ​​regenboogzonnecel te maken, wetenschappers moeten lichtoogstcomponenten met verschillende eigenschappen opnemen om verschillende delen van het spectrum vast te leggen. Een manier om dit te doen is door kwantumstippen te gebruiken, die kan worden afgestemd om specifieke golflengten van licht op te vangen. De typische manier om de bandafstand van een kwantumpunt af te stemmen om een ​​bepaalde golflengte van licht op te vangen, is door de grootte van de stip tijdens de synthese te regelen.

Hier, de onderzoekers kozen een andere manier om de bandgaten van de stippen af ​​te stemmen:door hun compositie te controleren. Alle quantum dots die ze gebruikten waren ongeveer even groot (4,5 nm) en gemaakt van cadmium, selenium, en zwavel, maar de hoeveelheid selenium in elke stip was gevarieerd. Quantum dots met de kleinste hoeveelheden selenium hadden de grootste band gaps en vingen de kortste golflengten van licht op. Op basis van deze relatie de onderzoekers synthetiseerden drie soorten quantum dots:groen, die de grootste band gap had; Oranje, die een tussenliggende bandafstand had; en rood, die de kleinste band gap had.

Na het synthetiseren van de kwantumdots, de onderzoekers deponeerden ze op een TiO ₂ film laag voor laag, beginnend met de groene stippen, gevolgd door oranje, en uiteindelijk rood. De tandem-gelaagde film werd vervolgens gebruikt als een fotoanode, die invallend licht opvangt in een zonnecel.

"Voor zover wij weten, dit is de eerste systematische benadering van het afzetten van twee of meer lagen stippen om achtereenvolgens fotonen te oogsten in zonnecellen met kwantumdots, " vertelde Kamat Phys.org . "Het afstemmen van de bandafstanden van de kwantumstippen door de samenstelling te variëren is een relatief nieuw idee en wordt door een paar groepen onderzocht."

Bij het experimenteren met verschillende versies van deze nieuwe tandem-gelaagde zonnecel, de onderzoekers ontdekten dat ze de beste prestaties konden bereiken met slechts twee lagen:een laag oranje stippen gevolgd door een laag rode stippen. Deze samengestelde cel vertoonde een efficiëntie van 3,2%, terwijl een cel met de groene stippen een iets lagere efficiëntie had van 3,0%

Nog interessanter is het synergetische effect dat de wetenschappers in deze cellen ontdekten. De waargenomen efficiëntie van de oranje/rood-gelaagde cel van 3,2% is 41% hoger dan de verwachte efficiëntie van 2,27%, die wordt berekend door de efficiëntie van twee afzonderlijke cellen op te tellen, een met oranje en een met rode stippen. En de waargenomen efficiëntie van een cel met alle drie kleuren stippen, 3,0%, is 60% hoger dan de geschatte additieve efficiëntie van 1,87%.

Hoewel de wetenschappers niet precies weten wat de synergetische effecten veroorzaakt, ze hebben twee ideeën. Een mogelijkheid is dat de bandenergieën van de stippen zodanig zijn uitgelijnd dat een cascade van elektronenoverdracht van stippen met een grotere bandafstand naar stippen met een kleinere bandafstand mogelijk is. waar elektronen zich ophopen. Het andere idee omvat energieoverdracht van de stippen met een grotere bandafstand naar de stippen met een kleinere bandafstand, waar excitatie geconcentreerd is. In beide scenario's de elektronen of excitaties versterken het proces van elektronenoverdracht, wat leidt tot meer energieopwekking en een hoger rendement. De wetenschappers vermoeden dat beide wegen kunnen samenwerken om de prestaties te verbeteren.

"De betekenis van tandem-gelaagde quantum dot-zonnecellen moet nog volledig worden gerealiseerd, "Zei Kamat. "Dit is onze eerste poging en het opent nieuwe wegen voor het ontwerpen van zonnecellen met een hoger rendement. De tandemstructuur maakt selectieve absorptie van licht mogelijk, waardoor de efficiëntie van de omzetting van lichtenergie wordt gemaximaliseerd. Energieverliezen als gevolg van thermalisatie van geëxciteerde elektronen kunnen door deze eenvoudige benadering sterk worden geminimaliseerd."

Voortbouwend op deze ideeën, de wetenschappers hopen de prestaties van de zonnecellen in de toekomst verder te verbeteren.

"We hebben nog steeds verdere verbeteringen nodig in de efficiëntie van de stroomconversie, " zei Kamat. "We zijn nu begonnen met een meervoudige benadering om de efficiëntie van tandem-kwantumdot-zonnecellen te verbeteren door quantumdots van verschillende materialen (koper-indiumsulfide, cadmiumselenide en loodselenide) en breidt de fotorespons verder uit tot in het infrarood. Spectroscopische metingen zijn aan de gang om de synergetische effecten in tandem quantum dot zonnecellen vast te stellen."

© 2013 Phys.org