(Phys.org) — Aan de horizon zou een raam van een huis kunnen staan ​​dat ook dienst doet als zonnepaneel. dankzij recent quantum-dot-werk van Los Alamos National Laboratory-onderzoekers in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Milaan-Bicocca (UNIMIB), Italië. Hun project toont aan dat superieure lichtgevende eigenschappen van kwantumdots kunnen worden toegepast in zonne-energie door te helpen bij het efficiënter oogsten van zonlicht.

"De belangrijkste prestatie is de demonstratie van luminescente zonneconcentratoren met een groot oppervlak die een nieuwe generatie speciaal ontworpen kwantumdots gebruiken, " zei hoofdonderzoeker Victor Klimov van het Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) in Los Alamos.

Quantum dots zijn ultrakleine stukjes halfgeleidermateriaal die met bijna atomaire precisie kunnen worden gesynthetiseerd via moderne methoden van colloïdale chemie. Hun emissiekleur kan worden afgesteld door eenvoudig hun afmetingen te variëren. Kleurafstemming wordt gecombineerd met hoge emissie-efficiënties van bijna 100 procent. Deze eigenschappen zijn recentelijk de basis geworden van een nieuwe technologie – quantum dot displays – die wordt gebruikt, bijvoorbeeld, in de nieuwste generatie van de Kindle Fire e-reader.

Antennes voor het oogsten van licht

Een luminescente zonneconcentrator (LSC) is een fotonenbeheerapparaat, die een plak transparant materiaal voorstelt dat zeer efficiënte emitters bevat, zoals kleurstofmoleculen of kwantumdots. In de plaat geabsorbeerd zonlicht wordt met langere golflengten opnieuw uitgestraald en naar de met een zonnecel uitgeruste plaatrand geleid.

Klimov legde uit, "De LSC dient als een antenne voor het oogsten van licht die de zonnestraling die vanuit een groot gebied wordt opgevangen, concentreert op een veel kleinere zonnecel, en dit verhoogt het vermogen."

"LSC's zijn vooral aantrekkelijk omdat naast winst in efficiëntie, ze kunnen nieuwe interessante concepten mogelijk maken, zoals fotovoltaïsche ramen die de gevels van huizen kunnen transformeren in grootschalige energieopwekkingseenheden, " zei Sergio Brovelli, die tot 2012 bij Los Alamos werkte en nu faculteitslid is bij UNIMIB.

Door de zeer efficiënte kleur-afstembare emissie en oplossing verwerkbaarheid, kwantumstippen zijn aantrekkelijke materialen voor gebruik in goedkope, LSC's met een groot oppervlak. Een uitdaging, echter, is een overlap tussen emissie- en absorptiebanden in de stippen, wat leidt tot aanzienlijke lichtverliezen doordat de stippen een deel van het licht dat ze produceren opnieuw absorberen.

"Giant" maar nog steeds klein, gemanipuleerde stippen

Om dit probleem op te lossen hebben de onderzoekers van Los Alamos en UNIMIB LSC's ontwikkeld op basis van kwantumdots met een kunstmatig opgewekte grote scheiding tussen emissie- en absorptiebanden (een grote Stokes-verschuiving genoemd).

Deze "Stokes-shift" gemanipuleerde kwantumstippen vertegenwoordigen cadmiumselenide/cadmiumsulfide (CdSe/CdS)-structuren waarin lichtabsorptie wordt gedomineerd door een ultradikke buitenste schil van CdS, terwijl emissie plaatsvindt vanuit de binnenste kern van een CdSe met een smallere opening. De scheiding van lichtabsorptie- en lichtemissiefuncties tussen de twee verschillende delen van de nanostructuur resulteert in een grote spectrale verschuiving van emissie met betrekking tot absorptie, wat de verliezen voor heropname aanzienlijk vermindert.

Om dit concept uit te voeren, Los Alamos-onderzoekers creëerden een reeks dikke schaal (zogenaamde "gigantische") CdSe/CdS-kwantumdots, die door hun Italiaanse partners werden verwerkt tot grote platen (in tientallen centimeters) van polymethylmethacrylaat (PMMA). Hoewel ze groot zijn volgens kwantumdot-normen, de actieve deeltjes zijn nog steeds klein - slechts ongeveer honderd angstrom in doorsnede. Ter vergelijking, een mensenhaar is ongeveer 500, 000 angstrom breed.

"Een sleutel tot het succes van dit project was het gebruik van een aangepaste industriële methode van celgieten, we ontwikkelden bij UNIMIB Materials Science Department", zegt Francesco Meinardi, hoogleraar natuurkunde aan UNIMIB.

Spectroscopische metingen gaven vrijwel geen verliezen aan heropname op afstanden van tientallen centimeters. Verder, tests met gesimuleerde zonnestraling toonden een hoge efficiëntie van het oogsten van fotonen aan van ongeveer 10% per geabsorbeerd foton, haalbaar in bijna transparante monsters, perfect geschikt voor gebruik als fotovoltaïsche ramen.

Ondanks hun hoge transparantie, de gefabriceerde structuren vertoonden een significante verbetering van de zonnestroom met een concentratiefactor van meer dan vier. Deze opwindende resultaten geven aan dat "Stokes-shift-engineered" kwantumstippen een veelbelovend materiaalplatform vertegenwoordigen. Het kan de creatie van oplossingsverwerkbare LSC's met groot oppervlak mogelijk maken met onafhankelijk afstembare emissie- en absorptiespectra.

Een onderzoekspaper, "Large-area luminescente zonneconcentrators op basis van 'Stokes-shift-engineered' nanokristallen in een in massa gepolymeriseerde PMMA-matrix, " wordt deze week online gepubliceerd in Natuurfotonica .