Het gebruik van exotische deeltjes, kwantumdots genaamd, als basis voor een fotovoltaïsche cel is geen nieuw idee, maar pogingen om dergelijke apparaten te maken hebben nog niet een voldoende hoog rendement bereikt bij het omzetten van zonlicht in stroom. Een nieuwe rimpel die is toegevoegd door een team van onderzoekers van het MIT - door de kwantumstippen in te bedden in een woud van nanodraden - belooft een aanzienlijke boost te geven.

Fotovoltaïsche cellen (PV's) op basis van kleine colloïdale kwantumstippen hebben verschillende potentiële voordelen ten opzichte van andere benaderingen voor het maken van zonnecellen:ze kunnen worden vervaardigd in een proces bij kamertemperatuur, energiebesparing en het vermijden van complicaties die verband houden met de verwerking van silicium en andere PV-materialen op hoge temperatuur. Ze kunnen worden gemaakt van overvloedig, goedkope materialen die geen uitgebreide zuivering vereisen, zoals silicium doet. En ze kunnen worden toegepast op een verscheidenheid aan goedkope en zelfs flexibele substraatmaterialen, zoals lichtgewicht kunststoffen.

Maar er is een afweging bij het ontwerpen van dergelijke apparaten, vanwege twee tegenstrijdige behoeften voor een effectieve PV:de absorberende laag van een zonnecel moet dun zijn om ladingen gemakkelijk te laten passeren van de plaatsen waar zonne-energie wordt geabsorbeerd naar de draden die de stroom wegvoeren, maar hij moet ook dik genoeg zijn om licht efficiënt absorberen. Verbeterde prestaties op een van deze gebieden hebben de neiging om de andere te verslechteren, zegt Joël Jean, een doctoraatsstudent in MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).

"Je wilt dat een dikke film het licht absorbeert, en je wilt dat het dun is om de ladingen eruit te krijgen, "zegt hij. "Dus er is een enorme discrepantie."

Dat is waar de toevoeging van zinkoxide nanodraden een nuttige rol kan spelen, zegt Jean, wie is de hoofdauteur van een artikel dat in het tijdschrift wordt gepubliceerd? Geavanceerde materialen . Het artikel is co-auteur van chemieprofessor Moungi Bawendi, materiaalwetenschap en techniek professor Silvija Gradečak, EECS-professor Vladimir Bulović, en drie andere afgestudeerde studenten en een postdoc.

Deze nanodraden zijn geleidend genoeg om gemakkelijk ladingen te onttrekken, maar lang genoeg om de diepte te bieden die nodig is voor lichtabsorptie, zegt Jean. Door een bottom-up groeiproces te gebruiken om deze nanodraden te laten groeien en ze te infiltreren met loodsulfide-kwantumdots, wordt 50 procent meer stroom gegenereerd door de zonnecel. en een toename van 35 procent van de algehele efficiëntie, zegt Jean. Het proces produceert een verticale reeks van deze nanodraden, die transparant zijn voor zichtbaar licht, afgewisseld met quantum dots.

"Als je licht schijnt over de lengte van de nanodraden, je krijgt het voordeel van diepte, "zegt hij. Maar ook, "je ontkoppelt lichtabsorptie en ladingsdragerextractie, omdat de elektronen zijwaarts op een nabijgelegen nanodraad kunnen springen en worden verzameld."

Een voordeel van op kwantumdots gebaseerde PV's is dat ze kunnen worden afgestemd om licht te absorberen over een veel groter bereik van golflengten dan conventionele apparaten. zegt Jean. Dit is een vroege demonstratie van een principe dat, door verdere optimalisatie en verbeterd fysiek inzicht, kan leiden tot praktische, goedkope nieuwe soorten fotovoltaïsche apparaten, hij zegt.

Nu al, de testapparaten hebben een efficiëntie van bijna 5 procent opgeleverd, een van de hoogste ooit gerapporteerd voor een quantum-dot PV op basis van zinkoxide, hij zegt. Met verdere ontwikkeling, Jean zegt, het kan mogelijk zijn om de algehele efficiëntie van de apparaten te verbeteren tot meer dan 10 procent, wat algemeen wordt aanvaard als het minimumrendement voor een commercieel levensvatbare zonnecel. Verder onderzoek zal, onder andere, verkennen met langere nanodraden om dikkere films te maken, en werken ook aan een betere controle van de afstand tussen de nanodraden om de infiltratie van kwantumdots ertussen te verbeteren.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.