Lösningsbearbetade halvledare, inklusive material som perovskiter och kvantprickar (dvs. små partiklar av materia i kvantstorleksregimen), är ämnen med en konduktivitet som sträcker sig mellan isolatorernas och de flesta metallers. Denna typ av halvledare har visat sig vara särskilt lovande för utvecklingen av nya optoelektroniska enheter som fungerar bra och har låga tillverkningskostnader.

Nyligen, vissa studier har belyst fördelarna med att tillverka halvledare genom att kombinera kolloidala kvantpunkter (CQD), nanopartiklar som kan skörda infraröda fotoner, och organiska kromoforer, delar av en molekyl som absorberar fotoner i synligt ljus och ger färg till molekylen. Ändå, än så länge, hybrid fotovoltaikanläggning baserad på CQD:er och kromoforer har endast uppnått effektomvandlingseffektivitet (PCE) under 10 procent på grund av en kemisk obalans mellan olika komponenter och utmaningar för att möjliggöra laddning.

Forskare vid University of Toronto och KAIST i Sydkorea har nyligen utvecklat en hybridarkitektur som övervinner dessa begränsningar genom att införa små molekyler i en CQD/organisk staplad struktur. Hybridsolcellerna de skapade, presenteras i ett papper publicerat i Naturenergi , uppnått anmärkningsvärda PCE som behålls även efter långa perioder av kontinuerlig drift.

"Den första utmaningen med denna studie var att kombinera fördelarna med det breda fotoabsorberande bandet av CQD:er och den starka (men smalare) absorptionskoefficienten för organiska molekyler för att skapa en fotovoltaisk plattform med högre prestanda, "Se-Woong Baek, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore.

Forskarna drog inspiration från en studie utförd av ett forskargrupp vid Berkeley National Laboratory för nästan två decennier sedan, som demonstrerade potentialen att använda halvledarnanoroder och polymerer för att tillverka hybrid -solceller. Medan teamet på Berkeley Lab och flera andra försökte kombinera organiska molekyler med CQD, Baek och hans kollegor ansåg att detta var svårt att uppnå, eftersom enhetsprestanda som uppnås med deras hybridarkitekturer var lägre än typiska organiska eller CQD-bara halvledare. Således, de bestämde sig för att undersöka potentialen hos CQD/organiska halvledare ytterligare, försöker övervinna begränsningarna hos tidigare utvecklade arkitekturer.

För att solceller ska fungera bra, de ska kunna maximera ljusabsorptionen och effektivt omvandla den till elektrisk ström. Hybridsolcellerna som utvecklats av Baek och hans kollegor har en liten molekylbro som kompletterar CQD -absorption, vilket i sin tur skapar en excitorkaskad med värdpolymeren. Detta resulterar i en mer effektiv energiöverföring än den som observerats i andra hybridarkitekturer.

"Strukturen vi utvecklade kan uppnå hög ljusskördseffektivitet via ett extra organiskt lager, som har en stark absorptionskoefficient på baksidan och en primär bredbandsabsorption av CQD nära dess framsida, "Baek förklarade." Den starkaste fördelen med de resulterande solcellerna är att de tillåter oss att programmera foto-responsen av CQD genom att ändra storlek och kombinera det med lämpliga organiska molekyler. "

Den unika strukturen hos solcellerna som utvecklats av Baek och hans kollegor möjliggör större frihetsgrader när de programmerar sina funktioner jämfört med andra typer av hybrid -solceller. Dessutom, det gör att solcellerna kan bibehålla god effektivitet under längre perioder av kontinuerlig drift.

"Många tidigare studier har rapporterat bred och hög absorbans genom en kombination av CQD och polymerer, men deras prestanda var mindre effektiv på grund av den låga laddningsextraktionseffektiviteten, "Sa Baek." Genom att introducera den tredje komponenten, en liten molekylbro, in i CQD/polymer hybrid heterostruktur, vi avslöjade en underliggande mekanism som underlättar laddningsextraktion och absorption, och därmed förbättra PCE. "

I framtiden, dessa solceller kan användas för att tillverka solcellspaneler som använder både kvantpunkter och kromoforer, men som uppnår högre effektivitet än de som observerats i tidigare utvecklade hybridarkitekturer. Än så länge, den CQD-organiska strukturen de föreslog har ett absorptionsband upp till 1100 nanometer. I deras nästa studier, de skulle således vilja anpassa strukturen eller utveckla alternativa hybridarkitekturer för att uppnå bredare absorptionsband.

"Så småningom, denna struktur kan kombineras med faktiskt höga bandgap perovskit solceller, till exempel, genom att utforma en bakcellsplattform som en tandemstruktur som kan förstärka absorptionen av det nära-infraröda bandet, där perovskit inte absorberar, "Sa Baek." Teoretiskt sett, en effektivitet på 15 procent kan läggas till perovskit-solcellen när vi kombinerar vår hybridstruktur som en bakcell av tandemstruktur. "

© 2019 Science X Network