Forskare från University of Toronto, King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) och Pennsylvania State University (Penn State) har skapat den mest effektiva solcellen som någonsin tillverkats baserat på kollodiala kvatumprickar (CQD). Upptäckten redovisas i senaste numret av Naturmaterial .
Kvantpunkter är halvledare i nanoskala som fångar ljus och omvandlar det till en energikälla. På grund av deras ringa skala, prickarna kan sprayas på flexibla ytor, inklusive plast. Detta möjliggör produktion av solceller som är billigare att producera och mer hållbara än den mer allmänt kända kiselbaserade versionen. I arbetet som lyfts fram av Naturmaterial artikel med titeln "Kollodial-quantum-dot photovoltaics using atomic-ligand passivation, "Forskarna visar hur omslagen som kapslar in kvantprickarna kan krympas till ett enkelt lager av atomer.
"Vi kom på hur vi kan krympa de passiverande materialen till minsta tänkbara storlek, " säger professor Ted Sargent, motsvarande författare om arbetet och innehavaren av Canada Research Chair in Nanotechnology vid U of T.
En avgörande utmaning för fältet har varit att hitta en balans mellan bekvämlighet och prestanda. Den idealiska designen är en som tätt packar ihop kvantprickarna. Ju större avståndet är mellan kvantprickar, desto lägre effektivitet.
Men kvantprickarna är vanligtvis täckta med organiska molekyler som lägger till en nanometer eller två. När du arbetar i nanoskala, det är skrymmande. Ändå har de organiska molekylerna varit en viktig ingrediens för att skapa en kolloid, vilket är ett ämne som är dispergerat i ett annat ämne. Detta gör att kvantprickarna kan målas på andra ytor.
För att lösa problemet, forskarna har vänt sig till oorganiska ligander, som binder samman kvantprickarna samtidigt som de använder mindre utrymme. Resultatet är samma kolloidegenskaper men utan de skrymmande organiska molekylerna.
"Vi lindade ett enda lager av atomer runt varje partikel. Som ett resultat, de packade kvantprickarna i en mycket tät fast substans, " förklarar Dr Jiang Tang, den första författaren till artikeln som utförde forskningen medan han var postdoktor vid The Edward S. Rogers Department of Electrical &Computer Engineering vid U of T.
Teamet visade de högsta elektriska strömmarna, och den högsta totala effektomvandlingseffektiviteten, någonsin sett i CQD-solceller. Prestandaresultaten har certifierats av ett externt laboratorium, Newport, som är ackrediterat av US National Renewable Energy Laboratory.
"Teamet bevisade att vi kunde ta bort laddningsfällor - platser där elektroner fastnar - samtidigt som vi packade kvantprickarna tätt ihop, " säger professor John Asbury från Penn State, en medförfattare till verket.
Kombinationen av tät packning och eliminering av laddningsfällan gjorde det möjligt för elektroner att röra sig snabbt och smidigt genom solcellerna, vilket ger rekordeffektivitet.
"Detta fynd bevisar kraften hos oorganiska ligander för att bygga praktiska enheter, " säger professor Dmitri Talapin vid University of Chicago, som är forskningsledare inom området. "Denna nya ytkemi ger vägen mot både effektiva och stabila kvantpricksolceller. Den borde också påverka andra elektroniska och optoelektroniska enheter som använder kolloidala nanokristaller. Fördelarna med det helt oorganiska tillvägagångssättet inkluderar avsevärt förbättrad elektronisk transport och en väg till lång- term stabilitet."
"På KAUST kunde vi visualisera, med otrolig upplösning på längdskalan under nanometer, strukturen och sammansättningen av denna anmärkningsvärda nya klass av material, " säger professor Aram Amassian vid KAUST, en medförfattare på verket.
"Vi bevisade att de oorganiska passiveringsmedlen var nära korrelerade med platsen för kvantprickarna; och att det var denna nya metod för kemisk passivering, snarare än nanokristallordning, som ledde till denna rekordbrytande kolloidala kvantpricksolcellsprestanda, " han lägger till.
Som ett resultat av potentialen i denna forskningsupptäckt, ett tekniklicensavtal har undertecknats av U of T och KAUST, förmedlas av MaRS Innovations (MI), vilket kommer att möjliggöra global kommersialisering av denna nya teknik.
"Världen - och marknaden - behöver solenergiinnovationer som bryter den befintliga kompromissen mellan prestanda och kostnad. Genom U of T, Mis, och KAUSTs partnerskap, vi är redo att översätta spännande forskning till konkreta innovationer som kan kommersialiseras, sa Sargent.
