Kapplöpet för att uppnå allt högre solcellskonverteringsförhållanden är, så att säga, ett hett forskningsområde. En forskningslinje har fokuserat på kvantprickar – halvledarnanokristaller under 2-10 nanometer (cirka 10-50 atomer) i diameter där elektronrörelse är begränsad i alla tre dimensioner – som grundelementen i nanoskala solcellsteknik.

Kallas ibland konstgjorda atomer , nanopartiklar som består av kadmium, zink, tellur, selen, svavel och andra föreningar är så små att tillsats eller borttagning av en enskild elektron representerar en betydande förändring – en egenskap som gör dem lämpliga inte bara som komponenter i avancerade solceller, men också i solid state belysning, medicinska sensorer och andra applikationer.

Särskilt, kolloidala kvantprickar (CQD) – syntetiserad från ett trekomponentsystem som består av:prekursorer, organiska ytaktiva ämnen, och lösningsmedel – kan ställas in genom att ändra deras storlek, som i solcellskonstruktioner gör att deras spektrala respons kan skräddarsys efter behov. Nyligen, forskare vid avdelningen för el- och datateknik vid University of Toronto har demonstrerat de första CQD-tandemsolcellerna (en serie anslutna solceller där fler enheter gör att varje enhet kan optimeras till ett smalare spektrum vilket ger en högre total effektivitet ) med hjälp av storlekseffektjustering av ett enda CQD-material, bly(II)sulfid (PbS). Deras förmåga att ställa in CQD-filmer kan tillåta tandem och multi-junction solceller (tillverkad genom att kombinera CQDs av olika storlekar) för att höja gränserna för solcellsomvandling från nuvarande 31 % till 42 % 49 %, respektive.

Forskningen – ledd av professor Edward H. Sargent, tillsammans med Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, och andra forskare vid University of Toronto – övervann de svårigheter som tidigare CQD-fotovoltaisk forskning stött på, som var stenmurade av en nyckel som saknades:korsningen – kopplingspunkten – mellan de främre och bakre cellen. "Innan vår tidning, säger Sargent, "det hade inte förekommit några tidigare rapporter om en kolloidal kvantpunktssolcell som effektivt matchar strömmarna i fronten, eller synligt-våglängds-bandgap, cell, och den bakre infraröda bandgap-cellen, och som framgångsrikt summerar spänningarna i varje cell. Vi utvecklade en ny teknik – som vi kallar Graderat rekombinationsskikt – som förbinder de främre och bakre cellen utan i princip ingen prestandaförlust genom en serie material som gradvis överför främre cellaktivitet till den bakre cellen.

Nyckeln är att denna hög med material är mycket transparent, och visade sig därför vara mycket effektiv för att bygga den första effektiva kolloidala kvantprick-tandemcellen. Vid denna tidpunkt, tillägger Sargent, "Det främsta avancerade behovet inom CQD solceller är förbättrad transport inom själva det kolloidala kvantpricklagret. Detta kommer att gynna solceller med en och flera korsningar."

När det gäller applikationer, Sargent noterar att "När vi överskrider 10% solenergikonverteringseffektivitet (idag är de bästa rapporterna för CQD solceller 5,6%, så vi har fortfarande en väg kvar), vi kommer att vara redo att skapa flexibla, stora solceller till låg kostnad. Specifikt, Vår måleffektivitet i kombination med våra låga material- och tillverkningskostnader kommer att leda till en dramatisk förbättring av den totala installerade kostnaden per Watt*topp.”

Det följer, sedan, att CQD solceller är mottagliga för betydande skalning. "Även i FoU-labbet, Sargent påpekar, "vi syntetiserar tillräckligt med kolloidala kvantprickar i varje körning för att täcka en kvadratmeter yta med en komplett ljusabsorbent. Arbete återstår att göra med att utveckla de slutliga tunnfilmsbearbetningsmetoderna som är kompatibla med storarea rulle-till-rulle-bearbetning."

Sargent noterar att det finns en viss överlappning med Stanford Universitys Photon Enhanced Thermionic Emission (PETE) forskning. PETE ökar energiomvandlingseffektiviteten för termioniska enheter (som omvandlar värme till elektricitet) implementerade som toppcykler för solvärmesystem, därigenom potentiellt fördubbla fotovoltaiska omvandlingsförhållanden. "Vad våra tillvägagångssätt har gemensamt är att dela upp spektrumet i två komponenter - den synliga högre energin och den lägre energi men rikligt fotonfluens, eller flux, infraröd. Som sagt, " betonar han, "det finns också viktiga skillnader:vårt tillvägagångssätt kräver inte optisk koncentration, medan PETE gör det. Också, vår fungerar bäst vid typiska omgivningstemperaturer; PETE kräver att katoden fungerar vid 600-800ºC."

Sargent ser nästa steg i teamets forskning som "fokuserade på uppgiften att förbättra elektron- och håltransport inuti kolloidala kvantprickfilmer med målet att göra lågtemperaturbearbetade, flexibel, lågkostnadssolceller som överstiger 10 % solenergikonverteringseffektivitet."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.