Zonnecellen gemaakt van loodsulfide-kwantumdots zouden uiteindelijk een goedkoper, flexibeler alternatief voor degenen gemaakt met behulp van silicium, maar ze zijn momenteel veel minder efficiënt. Echter, het veranderen van de chemische samenstelling van quantum-dot zonnecellen biedt een manier om ze af te stemmen om hogere efficiënties te bereiken, MIT natuurkunde student Patrick R. Brown zegt.

"In plaats van te beginnen met een hoogrenderende technologie en deze vervolgens goedkoper te maken, wat we nu doen met silicium, ons plan is om te beginnen met iets waarvan we weten dat we het goedkoop kunnen maken en kijken of we het efficiënter kunnen maken, ’ legt Bruin uit.

Loodsulfide is er in overvloed, die van nature voorkomen in het mineraal galena, en de wereld produceert momenteel genoeg lood en zwavel in een tijdsbestek van een paar weken om loodsulfide-zonnecellen te bouwen om alle elektriciteit in de wereld te leveren, Bruine noten. Andere alternatieven voor silicium zoals cadmiumtelluride of koper-indium-galliumdiselenide (CIGS) hebben het nadeel dat ze duurdere en minder overvloedige uitgangsmaterialen gebruiken. Loodsulfide-kwantumdots hebben nog een voordeel ten opzichte van andere opkomende dunne-film zonneceltechnologieën zoals organische polymeren en perovskieten, omdat ze stabiel zijn in de lucht.

"Ik concentreer me op het proberen uit te zoeken wat de knoppen zijn die we op dit materiaal moeten draaien, waardoor we een hogere efficiëntie kunnen bereiken, ' zegt Bruin.

Liganden veranderen energieniveaus

Quantum dots zijn kristallijne halfgeleiders op nanoschaal waarvan de bandafstand verandert met hun grootte. De bandgap bepaalt welke gebieden van het zonnespectrum - die ultraviolet, zichtbaar, en infrarood licht - dat de quantum dot-zonnecellen kunnen absorberen en omzetten in elektriciteit. Brown's recente samenwerkingsonderzoek met MIT-professor Vladimir Bulović en vijf anderen toonde aan hoe het hechten van verschillende organische moleculen, of liganden, naar het oppervlak van kwantumstippen kunnen hun energieniveau wijzigen. Brown vervaardigde en bestudeerde zijn loodsulfide-kwantum-dot-zonnecellen in Bulović's Organic and Nanostructured Electronics Lab.

Wanneer zonlicht een halfgeleider in een zonnecel raakt, het kan een elektron exciteren van zijn strak gebonden grondtoestand in de "valentieband" naar minder strak gebonden toestanden in de "geleidingsband, " waar de elektronen vrij kunnen bewegen en een elektrische stroom kunnen genereren. Brown bestudeerde de invloed die verschillende chemische liganden hebben op de grondtoestand-energieën van elektronen in de kwantum-dot-valentieband. Gebruikmakend van een techniek die bekend staat als ultraviolette foto-elektronenspectroscopie in het laboratorium van MIT-professor Marc A. Baldo, Brown mat de verschillende elektronische eigenschappen van loodsulfide-kwantumdotfilms die waren behandeld met 12 verschillende chemische liganden. De resultaten laten zien dat deze oppervlakteliganden werken als kleine elektrische dipolen - het elektrische equivalent van de bekende staafmagneet - en dus de energie van de elektronen binnen een kwantumpunt kunnen beïnvloeden.

Begeleiden van efficiënt ontwerp

"In ons werk laten we zien dat als je de oppervlakteliganden verandert, je kunt de bandgap hetzelfde laten, maar verander de absolute energieniveaus, ", zegt Brown. Het vermogen om zowel de grootte van de kwantumstip als de oppervlaktechemie ervan af te stemmen, kan het ontwerp van efficiënte zonnecellen leiden en, eventueel, multi-junction apparaten die meer van het spectrum van de zon absorberen. "Met dit vermogen om de energieniveaus van de kwantumstippen af ​​te stemmen door de liganden te veranderen, we kunnen ervoor zorgen dat er geen energetische barrières in ons apparaat zijn en dat de elektronen een bergafwaarts energetisch pad uit het apparaat hebben, Brown legt uit. "Het vermogen om deze eigenschappen af ​​te stemmen met behulp van zulke eenvoudige chemische processen is wat deze materialen onderscheidt, waardoor ze een unieke en veelbelovende keuze zijn voor gebruik in zonnecellen, ' zegt Bruin.

Brown en MIT-student materiaalwetenschappen Donghun Kim waren co-hoofdauteurs van het artikel, "Energieniveau-modificatie in loodsulfide Quantum Dot Thin Films door middel van liganduitwisseling, " gepubliceerd in ACS Nano in juni 2014. Andere co-auteurs waren MIT-hoogleraren Vladimir Bulović, Jeffrey C. Grossman, en Moungi G. Bawendi, evenals Richard R. Lunt, assistent-professor chemische technologie en materiaalkunde aan de Michigan State University, en Ni Zhao, assistent-professor elektronische engineering aan de Chinese Universiteit van Hong Kong. Bruin, 27, zit in zijn zesde jaar als student natuurkunde en verwacht in 2015 te promoveren. Hij behaalde zijn BS in natuurkunde en scheikunde aan de Universiteit van Notre Dame. Brown is een National Science Foundation Fellow en een Fannie en John Hertz Foundation Fellow.

Kim gebruikte computersimulaties op atomaire schaal om de interacties van de chemische liganden met het quantum-dot-oppervlak te modelleren. Deze simulaties verklaarden een belangrijk resultaat van het onderzoek, waaruit blijkt dat de verschillende elektrische dipoolmomenten van de liganden verantwoordelijk zijn voor de veranderingen in quantum dot-energieniveaus. "Ongeacht de manier waarop een specifiek ligand bindt aan het oppervlak van de kwantumdot, Donghun's simulaties toonden een verschuiving in energieniveaus die overeenkwam met de verschuivingen die we experimenteel aan het meten waren, ' zegt Bruin.

Voldoen aan de wereldvraag

Om een ​​groot deel van de wereldvraag naar energie te voorzien van fotovoltaïsche tienduizenden vierkante kilometers zonnecellen zouden moeten worden geïnstalleerd, zegt Bruin. Zonnecellen op basis van silicium zijn efficiënt en worden goedkoper naarmate er meer worden gemaakt, maar hun broze karakter betekent dat ze moeten worden ingekapseld door starre, relatief zware aluminium en glazen kozijnen. "Het belangrijkste idee met kwantumstippen is dat in plaats van uit te gaan van grote siliciumkristallen die in enkele wafels moeten worden gesneden, we beginnen met heel kleine kristallen, ongeveer 10 nanometer in diameter, die we kunnen oplossen in oplossing en uitprinten als een inkt. Dus in plaats van gebonden te zijn aan deze harde glassubstraten, we zouden uiteindelijk in staat kunnen zijn om onze zonnecellen op flexibele substraten te printen of te spuiten zoals je een krant zou printen, ', zegt Brown. 'Dat soort dingen zou je niet kunnen doen met een siliciumwafel.'

Quantum dots hebben hun nadelen, natuurlijk, daarom is deze technologie nog niet op de markt. "Elektronen hebben het moeilijker om tussen kwantumstippen te springen dan om door een zuivere, uniform kristal van silicium. Hoewel de materialen die we gebruiken erg goedkoop zijn, de moeilijkheid om lading er doorheen te bewegen leidt tot lage zonnecelefficiënties, " zegt Brown. Bijvoorbeeld, elektronen kunnen vast komen te zitten op de oppervlakken van kwantumstippen. "Eén ding dat we willen doen, is uitzoeken wat voor soort chemische trucs we aan het oppervlak van de kwantumstip kunnen spelen om van die valtoestanden af ​​te komen, " hij zegt.

Het langetermijndoel van het onderzoek is om de afstembare elektronische eigenschappen te gebruiken om hogere efficiëntie loodsulfide quantum-dot zonnecellen te maken die flexibel zijn en tegen lage kosten kunnen worden vervaardigd. zegt Bruin.

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.