De zonneceltechnologie is snel vooruitgegaan, terwijl honderden groepen over de hele wereld meer dan twee dozijn benaderingen nastreven met verschillende materialen, technologieën, en benaderingen om de efficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen. Nu heeft een team van MIT een nieuw record gevestigd voor de meest efficiënte quantum-dot-cellen - een type zonnecel dat als bijzonder veelbelovend wordt beschouwd vanwege de inherent lage kosten, veelzijdigheid, en lichtgewicht.

Hoewel de algehele efficiëntie van deze cel nog steeds laag is in vergelijking met andere typen - ongeveer 9 procent van de energie van zonlicht wordt omgezet in elektriciteit - is het tempo van verbetering van deze technologie een van de snelste die is waargenomen voor een zonnetechnologie. De ontwikkeling wordt beschreven in een paper, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , door MIT-professoren Moungi Bawendi en Vladimir Bulović en afgestudeerde studenten Chia-Hao Chuang en Patrick Brown.

Het nieuwe proces is een uitbreiding van het werk van Bawendi, de Lester Wolfe hoogleraar scheikunde, om kwantumdots te produceren met nauwkeurig regelbare eigenschappen - en als uniforme dunne coatings die op andere materialen kunnen worden aangebracht. Deze minuscule deeltjes zijn zeer effectief in het omzetten van licht in elektriciteit, en vice versa. Sinds de eerste vooruitgang in de richting van het gebruik van kwantumstippen om zonnecellen te maken, Bawendi zegt, "De gemeenschap, de laatste jaren, begint beter te begrijpen hoe deze cellen werken, en wat de beperkingen zijn."

Het nieuwe werk vertegenwoordigt een belangrijke sprong in het overwinnen van die beperkingen, het verhogen van de stroom in de cellen en dus het verhogen van hun algehele efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit.

Vele benaderingen voor het creëren van goedkope, flexibele en lichtgewicht zonnecellen met een groot oppervlak hebben ernstige beperkingen, zoals een korte levensduur bij blootstelling aan lucht, of de noodzaak van hoge temperaturen en vacuümkamers tijdens de productie. Daarentegen, het nieuwe proces vereist geen inerte atmosfeer of hoge temperaturen om de actieve apparaatlagen te laten groeien, en de resulterende cellen vertonen geen degradatie na meer dan vijf maanden opslag in de lucht.

Bulovic, de Fariborz Maseeh Professor of Emerging Technology en associate dean for innovation in MIT's School of Engineering, legt uit dat dunne coatings van kwantumstippen "ze in staat stellen te doen wat ze doen als individuen - om licht heel goed te absorberen - maar ook als een groep te werken, om ladingen te vervoeren." Hierdoor kunnen die ladingen worden verzameld aan de rand van de film, waar ze kunnen worden aangewend om een ​​elektrische stroom te leveren.

Het nieuwe werk brengt ontwikkelingen uit verschillende vakgebieden samen om de technologie naar ongekende efficiëntie te brengen voor een op kwantumdots gebaseerd systeem:de vier co-auteurs van het artikel zijn afkomstig van de natuurkundeafdelingen van het MIT, scheikunde, materiaalkunde en techniek, en elektrotechniek en informatica. De door het team geproduceerde zonnecel is nu toegevoegd aan de lijst van de National Renewable Energy Laboratories met recordhoge efficiënties voor elk soort zonneceltechnologie.

Het totale rendement van de cel is nog steeds lager dan bij de meeste andere typen zonnecellen. Maar Bulović wijst erop, "Silicium had zes decennia om te komen waar het nu is, en zelfs silicium heeft de theoretische limiet nog niet bereikt. Je kunt niet hopen dat een geheel nieuwe technologie een gevestigde exploitant zal verslaan in slechts vier jaar ontwikkeling." En de nieuwe technologie heeft belangrijke voordelen, met name een productieproces dat veel minder energie-intensief is dan andere typen.

Chuang voegt toe, "Elk deel van de cel, behalve de elektroden voor nu, kan bij kamertemperatuur worden gedeponeerd, in de lucht, uit de oplossing. Het is echt ongekend."

Het systeem is zo nieuw dat het ook potentieel heeft als instrument voor fundamenteel onderzoek. "Er is veel te leren over waarom het zo stabiel is. Er moet nog veel meer worden gedaan, om het te gebruiken als proeftuin voor natuurkunde, om te zien waarom de resultaten soms beter zijn dan we verwachten, ' zegt Bulovic.

Een begeleidend papier, geschreven door drie leden van hetzelfde team samen met Jeffrey Grossman van MIT, de Carl Richard Soderberg universitair hoofddocent energietechniek, en drie anderen, verschijnt deze maand in het journaal ACS Nano , meer in detail uitleggen van de wetenschap achter de strategie die is gebruikt om deze doorbraak in efficiëntie te bereiken.

Het nieuwe werk betekent een ommekeer voor Bawendi, die een groot deel van zijn carrière met kwantumstippen had gewerkt. "Vier jaar geleden was ik een beetje een scepticus, ", zegt hij. Maar het onderzoek van zijn team sindsdien heeft het potentieel van kwantumstippen in zonnecellen duidelijk aangetoond, hij voegt toe.

Arthur Nozik, een onderzoeksprofessor in de chemie aan de Universiteit van Colorado die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, "Dit resultaat vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang voor de toepassingen van quantum-dot-films en de technologie van lage temperatuur, oplossing-verwerkt, quantum-dot fotovoltaïsche cellen. … Er is nog een lange weg te gaan voordat quantum-dot-zonnecellen commercieel levensvatbaar zijn, maar deze laatste ontwikkeling is een mooie stap in de richting van dit uiteindelijke doel."

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.