En process utvecklad på KAUST för avsättning av extremt tunna och släta filmer kan göra det lättare att tillverka stabila solceller baserade på kvantpunktsteknologi.

Kolloidala kvantprickar är små halvledarpartiklar som kan absorbera ljus över ett brett spektrum av våglängder. Eftersom dessa prickar är lätta att blanda till flytande lösningsmedel, forskare har använt dem som "solfärger" som kan tryckas på böjbara plastark. Dock, tidiga prototyper avslöjade att exponering för luft och ultraviolett strålning försämrade cellens förmåga att omvandla solljus till elektricitet.

"Före 2014, kolloidala kvantpricksolceller var mycket instabila och kunde inte överleva utanför en kontrollerad kvävemiljö, " säger KAUST alun Ahmad Kirmani. "Denna situation förändrades med utvecklingen av en ny arkitektur som förbättrade både enhetsstabilitet och effektkonverteringseffektivitet."

De senaste kvantpricksolcellerna lägger de små partiklarna mellan två filmer som kallas antingen elektron- eller håltransporterande lager. Dessa beläggningar är utformade för att snabbt extrahera negativa eller positiva laddningar som genereras av fotoexciterade prickar till en extern krets. Dessutom, skikten ger ett välbehövligt skydd mot yttre element.

Kirmani och hans kollegor insåg att en minskning av storleken på det elektrontransporterande lagret kan öka kvantpunktssolcellernas prestanda. Dessa filmer består ofta av ultraviolettkänsliga material, såsom zinkoxid, och behöver vanligtvis vara mer än 100 nanometer tjocka för att förhindra bildandet av defekter som kan kortsluta enheten. I kontrast, tunnare filmer är mer önskvärda eftersom de kan extrahera fotogenererade elektroner med högre hastigheter.

KAUST-teamet utvecklade en tvåstegsteknik för att producera ultratunna filmer som är tillräckligt jämna för effektiv elektroninsamling. Först, de avsatte en indiumoxidbeläggning på en transparent elektrod för att främja högordnad filmtillväxt. En andra avsättning av zinkoxid, bara 20 nanometer hög, förseglade eventuella porösa defekter och genererade ett extremt enhetligt gränssnitt.

"Initialt, vi kämpade med enhetens reproducerbarhet på grund av ytojämnheter, " säger Kirmani. "Ultrathin filmer, dock, fäster bättre på underlaget. Genom att optimera lösningskoncentrationerna, vi avlastade mekaniska påfrestningar för att tillverka mycket platta filmer."

Jämförelser med en kontrollanordning visade att det ultratunna elektrontransporterande skiktet fungerade lika effektivt som en tjockare zinkoxidfilm. Förvånande, blandningen av zink och indiumoxider i den nya solcellen förlängde dess hållbarhet, driftsstabilitet och tolerans mot ultravioletta strålar – fördelar som teamet delvis tillskriver förbättrad optisk transmittans genom enheten.