Detta visar quantum dot LSC-enheter under ultraviolett belysning. Kredit:Los Alamos National Laboratory
(Phys.org) – Ett husfönster som fungerar som en solpanel kan vara vid horisonten, tack vare det senaste kvantpricksarbetet av forskare från Los Alamos National Laboratory i samarbete med forskare från University of Milano-Bicocca (UNIMIB), Italien. Deras projekt visar att överlägsna ljusemitterande egenskaper hos kvantprickar kan appliceras i solenergi genom att effektivare skörda solljus.
"Nyckelprestationen är demonstrationen av självlysande solkoncentratorer med stor yta som använder en ny generation av specialkonstruerade kvantprickar, " sa ledande forskare Victor Klimov vid Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) i Los Alamos.
Kvantprickar är ultrasmå bitar av halvledarmaterial som kan syntetiseras med nästan atomär precision via moderna metoder för kolloidal kemi. Deras emissionsfärg kan justeras genom att helt enkelt variera deras dimensioner. Färgjusterbarhet kombineras med hög emissionseffektivitet som närmar sig 100 procent. Dessa egenskaper har nyligen blivit grunden för en ny teknik – kvantpunktsskärmar – som används, till exempel, i den senaste generationen av Kindle Fire e-läsare.
Lättskördande antenner
En självlysande solkoncentrator (LSC) är en fotonhanteringsenhet, representerar en platta av genomskinligt material som innehåller högeffektiva strålare som färgämnesmolekyler eller kvantprickar. Solljus som absorberas i plattan återutstrålas vid längre våglängder och leds mot plattans kant försedd med solcell.
Klimov förklarade, "LSC fungerar som en ljusupptagningsantenn som koncentrerar solstrålning som samlas in från ett stort område till en mycket mindre solcell, och detta ökar dess effekt."
Denna schematik visar hur kvantprickarna är inbäddade i plastmatrisen och fångar solljus för att förbättra solpanelens effektivitet. Kredit:Los Alamos National Laboratory
"LSC:er är särskilt attraktiva eftersom förutom effektivitetsvinster, de kan möjliggöra nya intressanta koncept som solcellsfönster som kan förvandla husfasader till stora energigenereringsenheter, sa Sergio Brovelli, som arbetade på Los Alamos fram till 2012 och nu är fakultetsmedlem vid UNIMIB.
På grund av mycket effektiv, färgjusterbar emission och lösningsbearbetbarhet, kvantprickar är attraktiva material för användning i billiga, stora område LSC. En utmaning, dock, är en överlappning mellan emissions- och absorptionsband i prickarna, vilket leder till betydande ljusförluster på grund av att prickarna återabsorberar en del av det ljus de producerar.
"Jätte" men fortfarande liten, konstruerade prickar
För att övervinna detta problem har Los Alamos och UNIMIBs forskare utvecklat LSC:er baserade på kvantprickar med artificiellt inducerad stor separation mellan emissions- och absorptionsband (kallat ett stort Stokes-skift).
Dessa "Stokes-shift"-konstruerade kvantprickar representerar kadmiumselenid/kadmiumsulfid (CdSe/CdS) strukturer där ljusabsorption domineras av ett ultratjockt yttre skal av CdS, medan utsläpp sker från den inre kärnan i en CdSe med ett mindre gap. Separationen av ljusabsorptions- och ljusemissionsfunktioner mellan de två olika delarna av nanostrukturen resulterar i en stor spektral förskjutning av emissionen med avseende på absorption, vilket avsevärt minskar förlusterna till återabsorption.
För att implementera detta koncept, Los Alamos forskare skapade en serie tjocka skal (så kallade "jätte") CdSe/CdS kvantprickar, som inkorporerades av sina italienska partners i stora plattor (storlekar i tiotals centimeter) av polymetylmetakrylat (PMMA). Även om den är stor med kvantprickstandarder, de aktiva partiklarna är fortfarande små - bara cirka hundra ångström tvärs över. För jämförelse, ett människohår är cirka 500, 000 ångström bred.
"En nyckel till framgången för detta projekt var användningen av en modifierad industriell metod för cellgjutning, vi utvecklade på UNIMIB Materials Science Department" sa Francesco Meinardi, professor i fysik vid UNIMIB.
Spektroskopiska mätningar visade praktiskt taget inga förluster av återabsorption på avstånd på tiotals centimeter. Ytterligare, tester med simulerad solstrålning visade hög fotonskördningseffektivitet på cirka 10 % per absorberad foton som kan uppnås i nästan transparenta prover, perfekt lämpad för användning som solcellsfönster.
Trots deras höga transparens, de tillverkade strukturerna visade signifikant förbättring av solflödet med en koncentrationsfaktor på mer än fyra. Dessa spännande resultat indikerar att "Stokes-shift-konstruerade" kvantprickar representerar en lovande materialplattform. Det kan möjliggöra skapandet av lösningsbearbetbara storarea LSC:er med oberoende inställbara emissions- och absorptionsspektra.
En forskningsartikel, "Lyscerande solkoncentratorer med stor yta baserade på 'Stokes-shift-engineered' nanokristaller i en masspolymeriserad PMMA-matris, " publiceras online denna vecka i Naturfotonik .
