Länkade kvantprickar - I det nya nanomaterialet hoppar två eller fler elektroner över bandgapet som en konsekvens av att bara en enda ljuspartikel (pil med vågor) absorberas. Med hjälp av speciella molekyler har forskarna starkt kopplat samman nanosfärerna (kvantprickar) vilket gör att elektronerna kan röra sig fritt och en elektrisk ström utvecklas i solcellen.
Forskare från FOM-stiftelsen, Delfts tekniska universitet, Toyota Motor Europe och University of California har utvecklat en nanostruktur med vilken de kan göra solceller högeffektiva. Forskarna publicerade sina resultat den 23 augusti 2013 i onlineupplagan av Naturkommunikation .
Smarta nanostrukturer kan öka utbytet av solceller. Ett internationellt team av forskare inklusive fysiker från FOM Foundation, Delft University of Technology och Toyota, har nu optimerat nanostrukturerna så att solcellen ger mer el och förlorar mindre energi i form av värme.
Solceller
En konventionell solcell innehåller ett lager av kisel. När solljus faller på detta lager, elektroner i kislet absorberar energin från ljuspartiklarna (fotoner). Med hjälp av denna energi hoppar elektronerna över ett "bandgap", som ett resultat av vilket de kan röra sig fritt och elektriciteten flödar.
Utbytet av en solcell optimeras om fotonenergin är lika med bandgapet av kisel. Solljus, dock, innehåller många fotoner med energier större än bandgapet. Överskottsenergin går förlorad som värme, vilket begränsar utbytet av en konventionell solcell.
Nanosfärer
För flera år sedan forskarna från Delfts tekniska universitet, såväl som andra fysiker, visade att överskottsenergin fortfarande kunde användas på ett bra sätt. I små sfärer av ett halvledande material gör överskottsenergin det möjligt för extra elektroner att hoppa över bandgapet. Dessa nanosfärer, de så kallade kvantprickarna, har en diameter på bara en tiotusendel av ett människohår.
Om en ljuspartikel gör det möjligt för en elektron i en kvantpunkt att passera bandgapet, elektronen rör sig runt i pricken. Det säkerställer att elektronen kolliderar med andra elektroner som sedan hoppar över bandgapet också. Som ett resultat av denna process kan en enda foton mobilisera flera elektroner och därigenom multiplicera mängden ström som produceras.
Kontakt mellan kvantprickar
Dock, fram tills nu var problemet att elektronerna förblev instängda i sina kvantprickar och kunde därför inte bidra till strömmen i solcellen. Det berodde på de stora molekylerna som stabiliserar ytan av kvantprickar. Dessa stora molekyler hindrar elektronerna från att hoppa från en kvantprick till nästa och så flyter ingen ström.
I den nya designen, forskarna ersatte de stora molekylerna med små molekyler och fyllde det tomma utrymmet mellan kvantprickarna med aluminiumoxid. Detta ledde till mycket mer kontakt mellan kvantprickarna så att elektronerna kunde röra sig fritt.
Avkastning
Med hjälp av laserspektroskopi såg fysikerna att en enda foton verkligen orsakade frisättningen av flera elektroner i materialet som innehåller sammanlänkade kvantprickar. Alla elektroner som hoppade över bandgapet rörde sig fritt runt i materialet. Som ett resultat av detta stiger det teoretiska utbytet av solceller som innehåller sådana material till 45 %, vilket är mer än 10 % högre än en konventionell solcell.
Denna mer effektiva typ av solcell är lätt att producera:strukturen av länkade nanosfärer kan appliceras på solcellen som en typ av skiktad färg. De nya solcellerna blir därför inte bara effektivare utan också billigare än konventionella celler.
De holländska forskarna vill nu arbeta med internationella partners för att producera kompletta solceller med denna design.
