(Phys.org) - Forskare har upptäckt att en solcell som består av två eller tre lager kvantprickar, med varje lager inställd på en annan del av solspektrumet, har en verkningsgrad som är 40-60% högre än summan av effektiviteten hos separata solceller som var och en består av ett av de enskilda skikten. Den synergistiska effekten av den skiktade arkitekturen kan leda till nya sätt att designa quantum dot-solceller med hög effektivitet och bredspektrumabsorption.

Forskarna som designade och tillverkade de nya solcellerna, Pralay K. Santra och professor Prashant V. Kamat vid University of Notre Dame i Indiana, ville testa det tidigare föreslagna konceptet med en regnbågssolcell, som kan skörda fotoner av alla "färger" eller våglängder i det synliga spektrumet.

För att tillverka en regnbågssolcell, forskare måste införliva ljusskördande komponenter med olika egenskaper för att fånga olika delar av spektrumet. Ett sätt att göra detta är att använda kvantprickar, som kan ställas in för att fånga specifika våglängder av ljus. Det typiska sättet att ställa in en kvantpunkts bandgap för att fånga en viss våglängd av ljus är att styra prickens storlek under syntes.

Här, forskarna valde ett annat sätt att justera prickarnas bandgap:genom att kontrollera deras sammansättning. Alla de kvantprickar de använde var ungefär lika stora (4,5 nm) och gjorda av kadmium, selen, och svavel, men mängden selen i varje prick var varierad. Kvantprickar med de minsta mängder selen hade de största bandgapen och fångade de kortaste ljusets våglängder. Baserat på detta förhållande, forskarna syntetiserade tre sorters kvantprickar:grön, som hade det största bandgapet; orange, som hade ett mellanliggande bandgap; och rött, som hade det minsta bandgapet.

Efter att ha syntetiserat kvantprickarna, forskarna deponerade dem på en TiO ₂ filma ett lager i taget, börjar med de gröna prickarna, följt av apelsin, och slutligen röd. Tandemskiktfilmen användes sedan som en fotoanod, som samlar upp inkommande ljus i en solcell.

"Som vi förstår det, detta är det första systematiska tillvägagångssättet för att deponera två eller flera lager prickar för att sekventiellt skörda fotoner i solceller med kvantpunkt, "Berättade Kamat Phys.org . "Stämningen av kvantprickarnas bandgap genom att variera kompositionen är en relativt ny idé och utforskas av några grupper."

När du experimenterar med olika versioner av denna nya tandemskiktade solcell, forskarna fann att de kunde uppnå bästa prestanda med bara två lager:ett lager orange prickar följt av ett lager röda prickar. Denna sammansatta cell uppvisade en effektivitet på 3,2%, medan en cell som innehöll de gröna prickarna hade en något lägre effektivitet på 3,0%

Ännu mer intressant är den synergistiska effekt forskarna upptäckte i dessa celler. Den orange/röda lager cellens observerade effektivitet på 3,2% är 41% högre än den förväntade effektiviteten på 2,27%, som beräknas genom att lägga till effektiviteten hos två separata celler, en med apelsin och en med röda prickar. Och den observerade effektiviteten hos en cell med alla tre punkterna, 3,0%, är 60% högre än den uppskattade tillsatseffektiviteten på 1,87%.

Även om forskarna inte riktigt vet vad som orsakar de synergistiska effekterna, de har två idéer. En möjlighet är att prickarnas bandenergier anpassas på ett sådant sätt att en elektronöverföringskaskad tillåts från punkter med större bandgap till punkter med mindre bandgap, där elektroner ackumuleras. Den andra idén innebär energioverföring från de större bandgapets prickar till de mindre bandgappunkterna, där excitation är koncentrerad. I båda scenarierna, elektronerna eller excitationerna förbättrar elektronöverföringsprocessen, vilket leder till ökad kraftproduktion och högre effektivitet. Forskarna misstänker att båda dessa vägar kan arbeta tillsammans för att förbättra prestanda.

"Betydelsen av tandemskiktade quantum dot-solceller har ännu inte insetts fullt ut, "Kamat sa." Detta är vår första insats och det öppnar nya sätt för att designa solceller med högre effektivitet. Tandemstrukturen möjliggör selektiv absorption av ljus, vilket maximerar effektiviteten av ljusenergiomvandling. Energiförluster som uppstår genom termisering av exciterade elektroner kan minimeras kraftigt med detta enkla tillvägagångssätt. "

Utifrån dessa idéer, forskarna hoppas kunna förbättra solcellernas prestanda ytterligare i framtiden.

"Vi behöver fortfarande ytterligare förbättringar av effektomvandlingseffektiviteten, "Kamat sa." Vi har nu initierat ett mångsidigt tillvägagångssätt för att förbättra effektiviteten hos tandem quantum dot solceller genom att införliva kvantprickar av olika material (kopparindiumsulfid, kadmium selenid och bly selenid) och förläng fotoresponsen längre in i det infraröda. Spektroskopiska mätningar pågår för att fastställa de synergetiska effekterna i tandem -quantum dot -solceller. "

© 2013 Phys.org