Door kwantumstippen en organische moleculen te combineren, kunnen zonnecellen meer van het zonlicht opvangen.

Licht van de zon is onze meest overvloedige bron van hernieuwbare energie, en leren hoe deze straling het beste kan worden geoogst, is van cruciaal belang voor de toekomstige energiebehoeften van de wereld. Onderzoekers van KAUST hebben ontdekt dat de efficiëntie van zonnecellen kan worden verhoogd door anorganische halfgeleider nanokristallen te combineren met organische moleculen.

Quantum dots zijn kristallen die slechts ongeveer 10 nanometer groot zijn. Een elektron gevangen door de stip heeft heel andere eigenschappen dan die van een elektron dat vrij door een groter materiaal kan bewegen.

"Een van de grootste voordelen van kwantumdots voor zonneceltechnologieën is de afstembaarheid van hun optische eigenschappen, "Verklaarde KAUST-assistent-professor Chemische Wetenschappen Omar Mohammed. "Ze kunnen worden gecontroleerd door de grootte van de kwantumstip te variëren."

Mohammed en zijn collega's ontwikkelen loodsulfide-kwantumdots voor het oogsten van optische energie; deze zijn meestal groter dan stippen gemaakt van andere materialen. Overeenkomstig, loodsulfide-kwantumdots kunnen licht absorberen over een groter frequentiebereik. Dit betekent dat ze een groter deel van het licht van de zon kunnen absorberen in vergelijking met andere kleinere stippen.

Om een ​​volledig functionerende zonnecel te maken, elektronen moeten in staat zijn om weg te bewegen van het kwantumpuntabsorptiegebied en naar een elektrode te stromen. Ironisch, de eigenschap van grote loodsulfide-kwantumdots waardoor ze bruikbaar zijn voor breedbandabsorptie - een kleinere elektronenergie-bandgap - belemmert ook dit energiewinningsproces. Eerder, efficiënte elektronenoverdracht was alleen bereikt voor loodsulfide-kwantumdots kleiner dan 4,3 nanometer, die een afsnijding veroorzaakte in de frequentie van het geconverteerde licht.

De innovatie van Mohammed en het team was om loodsulfide kwantumstippen van verschillende groottes te mengen met moleculen uit een familie die bekend staat als porfyrinen. De onderzoekers toonden aan dat door de gebruikte porfyrine te veranderen, het is mogelijk om de ladingsoverdracht van grote loodsulfidestippen te regelen; terwijl één molecuul de ladingsoverdracht helemaal uitschakelde, een andere maakte overdracht mogelijk met een snelheid die sneller was dan 120 femtoseconden.

Het team is van mening dat deze verbetering in het vermogen om energie te oogsten te wijten is aan de elektrostatische interfaciale interacties tussen het negatief geladen kwantumpuntoppervlak en het positief geladen porfyrine.

“Met deze aanpak we kunnen nu de kwantumpuntgrootte uitbreiden voor efficiënte ladingsoverdracht om het grootste deel van het nabij-infrarode spectrale gebied te omvatten, verder reiken dan de eerder gerapporteerde cut-off, "verklaarde Mohammed. "We hopen dit idee vervolgens te implementeren in zonnecellen met verschillende architecturen om de efficiëntie te optimaliseren."