Som den snabbast växande energitekniken i världen, solenergi fortsätter att stå för mer och mer av världens energiförsörjning. För närvarande, den mesta kommersiella solcellskraften kommer från bulkhalvledarmaterial. Men under de senaste åren, forskare har undersökt hur halvledarnanostrukturer kan öka effektiviteten hos solceller och det nyare området för solbränslen.
Även om det har varit en del kontroverser om hur mycket nanovetenskap kan förbättra solceller, en färsk översikt av denna forskning av Arthur Nozik, en forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) och professor vid University of Colorado, visar att halvledarnanostrukturer har en betydande potential för att omvandla solenergi till elektricitet.
I hans översikt, som publiceras i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver , Nozik har sammanfattat den aktuella statusen för flera metoder för att förbättra solceller med nanovetenskap. Som han förklarar, fördelarna med halvledarnanostrukturer härrör från kvantinneslutningen av negativa elektroner och positiva hål i mycket små områden av rymden i nanokristallerna. Kvantinneslutning kan ske i en, två eller tre dimensioner; i tre dimensioner, halvledarna kallas kvantpunkter. I vilken regim som helst, kvantinneslutningen ger kvantiseringseffekter, vilket resulterar i unika optiska och elektroniska egenskaper.
"Det finns två huvudsakliga teoretiska fördelar med att införliva kvantprickar i solceller och solceller:högre effektivitet och lägre kostnad, ”Berättade Nozik för PhysOrg.com. ”Det finns en teoretisk möjlighet baserad på termodynamiska beräkningar för att öka effektiviteten hos dagens solceller med en mycket stor mängd av 50-100%. Dessutom, kvantprickar kan sänka kapitalkostnaden för solcellsproduktion vad gäller kostnad per ytenhet. Kombinationen av lägre kostnad per ytenhet och högre konverteringseffektivitet skulle sänka kostnaden för solceller uttryckt som kostnad per topp watt. Nuvarande kiselceller är dyra (ungefär tre gånger kostnaden för konventionell el), men kvantprickar är baserade på billigare lågtemperaturlösningskemimetoder, plus att de kan ge högre konverteringseffektivitet. Dock, det återstår fortfarande mycket arbete innan kvantprickar är kommersiellt tillgängliga.”
Grundprincipen för solceller för solceller är att absorbera fotoner från infallande solstrålning med energier över halvledarbandgapet, och använd fotonerna för att skapa fria elektroner och hål (kallade laddningsbärare). För att öka effektiviteten i systemet, det är viktigt att bilda så många laddningsbärare som möjligt från de absorberade fotonerna. Det är här som kvantinneslutningseffekterna blir mycket användbara, eftersom effekterna kopplar fotogenererade elektroner och hål till bundna elektron-hålpar som kallas excitoner, och uppmuntra effektiv bildning av mer än en exciton från en enda absorberad foton. I kvantprickar. processen kallas multipel excitongenerering (MEG). Bland dess fördelar, MEG är mer effektivt och kan förekomma med fotoner med lägre energi i det synliga området i solspektrumet jämfört med en multiplikationsprocess av laddningsbärare i halvledare i bulk (en process som kallas impact ionization, som i allmänhet är begränsad till det ultravioletta området där solfotoner saknas eller är knappa).
För att generera flera excitoner, MEG-processen måste konkurrera med den snabba kylningen av initiala fotogenererade högenergiexcitoner (kallade "heta excitoner"). De heta excitonerna skapas genom absorptionen av energiska blå eller nästan ultravioletta fotoner. I bulk halvledare vid rumstemperatur och högre, de fotogenererade elektronerna och hålen är frånkopplade och existerar som gratis laddningsbärare (kallas "heta bärare"). Överskottsenergin från heta excitoner eller heta bärare kan snabbt förlora sin överskottsenergi genom elektron-fonon-interaktioner och omvandla den till värme, vilket står för betydande förlust av konverteringseffektivitet. Dock, Nozik noterar att trots vissa kontroverser, färska studier har visat att hastigheten för MEG kan vara mycket snabbare än den heta excitonkylningshastigheten, vilket resulterar i en övergripande högre effektivitet för elektronhålspar-multiplikation. Men trots tidiga inledande rapporter om kvantavkastning på 200% i kvantpunkts fotoelektrokemiska solceller, ingen kvantpunktsbaserad solcellsenhet hittills har visat en verklig förbättrad effektomvandlingseffektivitet på grund av MEG.
"Rent generellt, målet är att producera system som har effektivitet nära den teoretiska gränsen, sa Nozik. "Den teoretiska effektiviteten är cirka 45%, medan labbeffektiviteten för nuvarande kvantpricksolceller är cirka 3-5%. Det är en stor lucka; vi måste förstå vad som begränsar effektiviteten i dessa nya tillvägagångssätt. ”
Trots kontroversen om MEG, Nozik drar slutsatsen att möjligheterna för kvantpricksolceller och andra nanostrukturer som använder kvantinneslutning ser lovande ut, även om mycket mer arbete fortfarande måste göras. En fråga som kan hjälpa MEG att nå sin fulla potential är att säkerställa att de extra excitonerna snabbt samlas in, eftersom de sönderfaller inom cirka 20-100 pikosekunder efter bildandet. Viktigast, Nozik betonar att forskare bör sträva efter att nå maximal teoretisk effektivitet hos solceller.
"Det finns en viss kontrovers om dessa tredje generationens tillvägagångssätt eftersom de är nya och inte helt förstått, ”Sa Nozik. "Förr, vissa resultat kunde inte reproduceras i olika laboratorier. Men nu ger fler och fler människor de senaste åren positiva resultat. Los Alamos och NREL mäter dessa effekter i ett nytt U.S.DOE Energy Frontier Research Center med olika tekniker, och får samma svar. Så det är en verklig effekt, en positiv effekt. Dock, vissa människor är fortfarande skeptiska och tror att vi aldrig kommer att nå dessa värden [av teoretisk effektivitet]. Men det finns ingen grundläggande anledning till att vi inte kan nå dessa värden. Det krävs bara mer forskning, mer ansträngning, och mer förståelse.”
Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
