Att använda exotiska partiklar som kallas kvantprickar som grund för en solcellscell är ingen ny idé, men försök att tillverka sådana anordningar har ännu inte uppnått tillräckligt hög effektivitet för att omvandla solljus till kraft. En ny rynka som lagts till av ett team av forskare vid MIT – som bäddar in kvantprickarna i en skog av nanotrådar – lovar att ge ett betydande lyft.

Solceller (PV) baserade på små kolloidala kvantprickar har flera potentiella fördelar jämfört med andra metoder för att tillverka solceller:De kan tillverkas i en rumstemperaturprocess, spara energi och undvika komplikationer i samband med högtemperaturbearbetning av kisel och andra PV-material. De kan göras av rikligt, billiga material som inte kräver omfattande rening, som kisel gör. Och de kan appliceras på en mängd olika billiga och till och med flexibla substratmaterial, som lättviktsplaster.

Men det finns en kompromiss med att designa sådana enheter, på grund av två motstridiga behov av en effektiv PV:En solcells absorberande lager måste vara tunt för att låta laddningar lätt passera från platserna där solenergi absorberas till ledningarna som leder bort ström – men det måste också vara tillräckligt tjockt för att absorbera ljus effektivt. Förbättrad prestanda inom ett av dessa områden tenderar att försämra det andra, säger Joel Jean, doktorand vid MIT:s institution för elektroteknik och datavetenskap (EECS).

"Du vill ha en tjock film för att absorbera ljuset, och du vill ha det tunt för att få ut laddningarna, " säger han. "Så det är en enorm diskrepans."

Det är där tillsatsen av zinkoxidnanotrådar kan spela en användbar roll, säger Jean, som är huvudförfattare till en artikel som ska publiceras i tidskriften Avancerade material . Uppsatsen är medförfattare av kemiprofessor Moungi Bawendi, materialvetenskap och ingenjörsprofessor Silvija Gradečak, EECS-professor Vladimir Bulović, och tre andra doktorander och en postdoc.

Dessa nanotrådar är tillräckligt ledande för att lätt kunna extrahera laddningar, men tillräckligt lång för att ge det djup som behövs för ljusabsorption, säger Jean. Att använda en tillväxtprocess nerifrån och upp för att odla dessa nanotrådar och infiltrera dem med blysulfidkvantprickar ger en 50-procentig ökning av strömmen som genereras av solcellen, och en 35-procentig ökning av den totala effektiviteten, säger Jean. Processen producerar en vertikal uppsättning av dessa nanotrådar, som är genomskinliga för synligt ljus, varvat med kvantprickar.

"Om du lyser ljus längs med nanotrådarna, du får fördelen av djup, säger han. Men också, "du kopplar bort ljusabsorption och extraktion av laddningsbärare, eftersom elektronerna kan hoppa i sidled på en närliggande nanotråd och samlas upp."

En fördel med kvantpunktsbaserade PV:er är att de kan ställas in för att absorbera ljus över ett mycket bredare våglängdsområde än konventionella enheter, säger Jean. Detta är en tidig demonstration av en princip som, genom ytterligare optimering och förbättrad fysisk förståelse, kan leda till praktiska, billiga nya typer av solceller, han säger.

Redan, testenheterna har producerat verkningsgrader på nästan 5 procent, bland de högsta som någonsin rapporterats för en kvantpunkts-PV baserad på zinkoxid, han säger. Med vidareutveckling, Jean säger, det kan vara möjligt att förbättra enheternas totala effektivitet över 10 procent, vilket är allmänt accepterat som minimieffektiviteten för en kommersiellt gångbar solcell. Ytterligare forskning kommer, bland annat, utforska att använda längre nanotrådar för att göra tjockare filmer, och arbetar även med att bättre kontrollera avståndet mellan nanotrådarna för att förbättra infiltrationen av kvantprickar mellan dem.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.