ETH-onderzoekers hebben een uitgebreid model ontwikkeld om uit te leggen hoe elektronen in nieuwe soorten zonnecellen stromen die zijn gemaakt van kleine kristallen. Het model zorgt voor een beter begrip van dergelijke cellen en kan helpen om hun efficiëntie te verhogen.

Wetenschappers richten zich op nanometergrote kristallen voor de volgende generatie zonnecellen. Deze nanokristallen hebben uitstekende optische eigenschappen. Vergeleken met silicium in de huidige zonnecellen, nanokristallen kunnen worden ontworpen om een ​​groter deel van het zonnelichtspectrum te absorberen. Echter, de ontwikkeling van op nanokristallen gebaseerde zonnecellen is een uitdaging:"Deze zonnecellen bevatten lagen van veel individuele kristallen van nanoformaat, aan elkaar gebonden door een moleculaire lijm. Binnen deze nanokristalcomposiet, de elektronen stromen niet zo goed als nodig is voor commerciële toepassingen, " legt Vanessa Wood uit, Hoogleraar Materials and Device Engineering aan de ETH Zürich. Tot nu, de fysica van elektronentransport in dit complexe materiële systeem werd niet begrepen, dus het was onmogelijk om systematisch betere nanokristalcomposieten te construeren.

Wood en haar collega's voerden een uitgebreide studie uit van nanokristallen zonnecellen, die ze hebben gefabriceerd en gekarakteriseerd in hun laboratoria aan de ETH Zürich. Ze konden voor het eerst het elektronentransport in dit soort cellen beschrijven via een algemeen toepasbaar fysiek model. "Ons model kan de impact van veranderende nanokristalgrootte verklaren, nanokristal materiaal, of bindmiddelmoleculen op elektronentransport, ", zegt Wood. Het model zal wetenschappers in het onderzoeksveld een beter begrip geven van de fysieke processen in nanokristallen zonnecellen en hen in staat stellen de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren.

Veelbelovende vooruitzichten dankzij kwantumeffecten

De reden voor het enthousiasme van veel zonnecelonderzoekers voor de kleine kristallen is dat bij kleine afmetingen effecten van de kwantumfysica in het spel komen die niet worden waargenomen in bulkhalfgeleiders. Een voorbeeld is dat de fysieke eigenschappen van de nanokristallen afhankelijk zijn van hun grootte. En omdat wetenschappers de grootte van nanokristallen gemakkelijk kunnen controleren in het fabricageproces, ze zijn ook in staat om de eigenschappen van nanokristallen halfgeleiders te beïnvloeden en te optimaliseren voor zonnecellen.

Een van die eigenschappen die kan worden beïnvloed door de grootte van nanokristallen te veranderen, is de hoeveelheid zonnespectrum die door de nanokristallen kan worden geabsorbeerd en door de zonnecel in elektriciteit kan worden omgezet. Halfgeleiders absorberen niet het volledige zonlichtspectrum, maar alleen straling onder een bepaalde golflengte, of - met andere woorden - met een energie die groter is dan de zogenaamde bandgap-energie van de halfgeleider. In de meeste halfgeleiders, deze drempel kan alleen worden gewijzigd door het materiaal te veranderen. Echter, voor nanokristalcomposieten, de drempel kan eenvoudig worden gewijzigd door de grootte van de afzonderlijke kristallen te wijzigen. Zo kunnen wetenschappers de grootte van nanokristallen zo kiezen dat ze de maximale hoeveelheid licht uit een breed spectrum van het zonlichtspectrum absorberen.

Een bijkomend voordeel van nanokristallen halfgeleiders is dat ze veel meer zonlicht absorberen dan traditionele halfgeleiders. Bijvoorbeeld, de absorptiecoëfficiënt van loodsulfide nanokristallen, gebruikt door de ETH-onderzoekers in hun experimentele werk, enkele ordes van grootte groter is dan die van siliciumhalfgeleiders, traditioneel gebruikt als zonnecellen. Dus, een relatief kleine hoeveelheid materiaal is voldoende voor de productie van nanokristallen zonnecellen, waardoor het mogelijk is om zeer dun te maken, flexibele zonnecellen.

Behoefte aan meer efficiëntie

Het nieuwe model van de ETH-onderzoekers beantwoordt een reeks eerder onopgeloste vragen met betrekking tot elektronentransport in nanokristalcomposieten. Bijvoorbeeld, tot nu, er was geen experimenteel bewijs om te bewijzen dat de bandgap-energie van een nanokristalcomposiet direct afhangt van de bandgap-energie van de individuele nanokristallen. "Voor de eerste keer, we hebben experimenteel aangetoond dat dit het geval is, " zegt Hout.

In de afgelopen vijf jaar, wetenschappers zijn erin geslaagd de efficiëntie van nanokristallen zonnecellen sterk te verhogen, maar zelfs in de beste van deze zonnecellen wordt slechts 9 procent van het invallende zonlicht op de cel omgezet in elektrische energie. "Voor ons om commerciële toepassingen te overwegen, we moeten een efficiëntie van minimaal 15 procent halen, ", legt Wood uit. Het werk van haar groep brengt onderzoekers een stap dichter bij het verbeteren van het elektronentransport en de efficiëntie van zonnecellen.