Solen ger mer än tillräckligt med energi för alla våra behov, om vi bara kunde utnyttja det billigt och effektivt. Solenergi kan vara ett rent alternativ till fossila bränslen, men de höga kostnaderna för solceller har varit ett stort hinder för deras utbredda användning.
Stanford-forskare har funnit att att lägga till ett enda lager av organiska molekyler till en solcell kan öka dess effektivitet tre gånger och kan leda till billigare, effektivare solpaneler. Deras resultat publicerades online i ACS Nano den 7 feb.
Professorn i kemiteknik Stacey Bent började intressera sig för en ny sorts solteknik för två år sedan. Dessa solceller använde små partiklar av halvledare som kallas "kvantprickar". Quantum dot solceller är billigare att tillverka än traditionella, eftersom de kan göras med enkla kemiska reaktioner. Men trots deras löfte, de låg långt efter befintliga solceller i effektivitet.
"Jag undrade om vi kunde använda vår kunskap om kemi för att förbättra deras effektivitet, "
Sa Bent. Om hon kunde göra det, de minskade kostnaderna för dessa solceller kan leda till att tekniken tas i bruk i massa.
Bent kommer att diskutera sin forskning på söndag, 20 februari, vid årsmötet för American Association for the Advancement of Science i Washington, D.C.
I princip, kvantprickceller kan nå mycket högre effektivitet, Bent sa, på grund av en grundläggande begränsning av traditionella solceller.
Solceller fungerar genom att använda energi från solen för att excitera elektroner. De exciterade elektronerna hoppar från en lägre energinivå till en högre, lämnar efter sig ett "hål" där elektronen brukade vara. Solceller använder en halvledare för att dra en elektron i en riktning, och ett annat material för att dra hålet åt andra hållet. Detta flöde av elektron och hål i olika riktningar leder till en elektrisk ström.
Men det krävs en viss minimienergi för att helt separera elektronen och hålet. Mängden energi som krävs är specifik för olika material och påverkar vilken färg, eller våglängd, ljus absorberar materialet bäst. Kisel används vanligtvis för att göra solceller eftersom energin som krävs för att excitera dess elektroner motsvarar nära våglängden för synligt ljus.
Men solceller gjorda av ett enda material har en maximal verkningsgrad på cirka 31 procent, en begränsning av den fasta energinivån de kan absorbera.
Quantum dot solceller delar inte denna begränsning och kan i teorin vara mycket mer effektiva. Energinivåerna för elektroner i kvantpunkthalvledare beror på deras storlek – ju mindre kvantpunkten är, desto större energi behövs för att excitera elektroner till nästa nivå.
Så kvantprickar kan ställas in för att absorbera en viss våglängd av ljus bara genom att ändra deras storlek. Och de kan användas för att bygga mer komplexa solceller som har mer än en storlek av kvantprick, så att de kan absorbera flera våglängder av ljus.
På grund av dessa fördelar, Bent och hennes elever har undersökt sätt att förbättra effektiviteten hos kvantpricksolceller, tillsammans med docent Michael McGehee vid institutionen för materialvetenskap och teknik.
Forskarna belade en titandioxidhalvledare i sin kvantpricksolcell med ett mycket tunt enda lager av organiska molekyler. Dessa molekyler var självmonterande, vilket betyder att deras interaktioner fick dem att packa ihop på ett ordnat sätt. Kvantprickarna fanns i gränsytan mellan detta organiska skikt och halvledaren. Bents elever provade flera olika organiska molekyler i ett försök att lära sig vilka som mest skulle öka effektiviteten i solcellerna.
Men hon fann att den exakta molekylen inte spelade någon roll – att bara ha ett enda organiskt lager mindre än en nanometer tjockt var tillräckligt för att tredubbla solcellernas effektivitet. "Vi blev förvånade, vi trodde att det skulle vara väldigt känsligt för vad vi lägger ner, sa Bent.
Men hon sa att resultatet var vettigt i efterhand, och forskarna kom fram till en ny modell – det är längden på molekylen, och inte dess exakta natur, det spelar roll. Molekyler som är för långa tillåter inte kvantprickarna att interagera bra med halvledaren.
Bents teori är att när solens energi skapar en elektron och ett hål, det tunna organiska lagret hjälper till att hålla isär dem, förhindrar att de kombineras igen och går till spillo. Gruppen har ännu inte optimerat solcellerna, och de har för närvarande uppnått en effektivitet på, som mest, 0,4 procent. Men gruppen kan ställa in flera aspekter av cellen, och när de väl gör det, den trefaldiga ökningen som orsakas av det organiska skiktet skulle vara ännu mer signifikant.
Bent sa att de kadmiumsulfidkvantprickar hon använder för närvarande inte är idealiska för solceller, och gruppen kommer att prova olika material. Hon sa att hon också skulle prova andra molekyler för det organiska lagret, och skulle kunna ändra utformningen av solcellen för att försöka absorbera mer ljus och producera mer elektrisk laddning. När Bent har hittat ett sätt att öka effektiviteten hos kvantpricksolceller, hon sa att hon hoppas att deras lägre kostnad kommer att leda till en bredare acceptans av solenergi.
