Vänster:Kvantprickar täckta med organiska ligander. Skrymmande organiska molekyler (gul och blå) har lett till lägre prestanda. Höger:Kvantprickar täckta med de nya oorganiska liganderna som rapporterats i arbetet. Minska bulk hjälpte till att få ut elektroner, leder till rekordprestationer. Kredit:Sargent Lab, University of Toronto. Kredit:Sargent Lab, University of Toronto
Den mest effektiva kolloidala kvantpricksolcellen som någonsin skapats kommer att beskrivas i en vetenskaplig artikel som kommer att publiceras i en tryckt upplaga av tidskriften Naturmaterial av ett team av forskare som inkluderar John Asbury, biträdande professor i kemi vid Penn State University. Andra medlemmar i forskargruppen finns vid University of Toronto (U of T) i Kanada och King Abdullah University of Science &Technology (KAUST) i Saudiarabien. Tidskriften kommer också att publicera lagets prestation på sin webbsida Advance Online Publication.
"Vi kom på hur vi skulle krympa omslagen som kapslar in kvantprickar till den minsta tänkbara storleken - bara ett lager av atomer, " sa professor Ted Sargent vid U of T, motsvarande författare om arbetet och innehavaren av Canada Research Chair in Nanotechnology. Kvantpunkter är halvledare i nanoskala som fångar ljus och omvandlar det till elektrisk energi. På grund av deras ringa storlek, prickarna kan sprayas på flexibla ytor, inklusive plast, möjliggör produktion av solceller som är billigare än den befintliga kiselbaserade versionen.
Men en avgörande utmaning för fältet har varit att förbättra deras effektivitet. Den idealiska designen för bästa effektivitet är en som tätt packar ihop kvantprickarna. Tills nu, kvantprickar har täckts med organiska molekyler som separerar nanopartiklarna med en nanometer - vilket gör dem för skrymmande för optimal effektivitet. För att lösa problemet, forskargruppen vände sig till oorganiska ligander, subnanometerstora atomer som binder till kvantpunktytorna och tar mindre plats.
Den högsta effektomvandlingseffektiviteten någonsin i en kolloidal kvantpunktssolcell (CQD) har uppnåtts med hjälp av oorganiska ligander. Kredit:John Asbury lab, Penn State University.
"De oorganiska liganderna bildar det minsta möjliga skalet som kan lindas runt kvantprickar, " Penn State's Asbury förklarar. "Det är tunnheten på skalet som gör att kvantprickarna kan packas så tätt att elektroner kan flyta smidigt genom materialet för att göra fotoström."
De kolloidala kvantprickarna som undersöktes av Asbury och hans teammedlemmar gav de högsta elektriska strömmarna, och den högsta totala effektomvandlingseffektiviteten, någonsin sett i kolloidala quantum dot (CQD) solceller. Dessa prestandaresultat har certifierats av ett externt laboratorium, Newport, som är ackrediterat av U.S. National Renewable Energy Laboratory.
Fotografi av en uppsättning av sexton av de oorganiska kolloidala kvantprickanordningarna som rapporterats i tidningen. Kredit:Sargent Lab, University of Toronto.
"Omfattande tester har bekräftat att vi kunde ta bort laddningsfällor - platser där elektroner fastnar - samtidigt som vi packade kvantprickarna tätt ihop, ", sa Asbury. Kombinationen av tät packning och eliminering av laddningsfällan gjorde det möjligt för oöverträffade nivåer av fotoström att flöda genom solcellerna, vilket ger rekordeffektivitet.
Ett tekniklicensavtal har undertecknats av U of T och KAUST, förmedlas av MaRS Innovations (MI), som kommer att möjliggöra global kommersialisering av denna nya teknik. "Genom U av T, Mis, och KAUSTs partnerskap, vi är redo att översätta spännande forskning till konkreta innovationer som kan kommersialiseras, ", sa Sargent. "Världen – och marknaden – behöver solenergiinnovationer som bryter den befintliga kompromissen mellan prestanda och kostnad.
