ETH -forskare har utvecklat en omfattande modell för att förklara hur elektroner flödar inuti nya typer av solceller gjorda av små kristaller. Modellen möjliggör en bättre förståelse av sådana celler och kan bidra till att öka deras effektivitet.

Forskare fokuserar på kristaller i nanometerstorlek för nästa generation av solceller. Dessa nanokristaller har utmärkta optiska egenskaper. Jämfört med kisel i dagens solceller, nanokristaller kan utformas för att absorbera en större bråkdel av solens ljusspektrum. Dock, utvecklingen av nanokristallbaserade solceller är utmanande:"Dessa solceller innehåller lager av många enskilda nanostorlekar, bunden av ett molekylärt lim. Inom denna nanokristallkomposit, elektronerna flyter inte så bra som behövs för kommersiella applikationer, "förklarar Vanessa Wood, Professor i material- och enhetsteknik vid ETH Zürich. Tills nu, elektrontransportens fysik i detta komplexa materialsystem förstods inte så det var omöjligt att systematiskt konstruera bättre nanokristallkompositer.

Wood och hennes kollegor genomförde en omfattande studie av nanokristall solceller, som de tillverkade och karakteriserade i sina laboratorier vid ETH Zürich. De kunde för första gången beskriva elektrontransporten i dessa typer av celler via en allmänt tillämplig fysisk modell. "Vår modell kan förklara effekterna av att ändra nanokristallstorlek, nanokristallmaterial, eller bindemedelsmolekyler på elektrontransport, "säger Wood. Modellen kommer att ge forskare inom forskningsområdet en bättre förståelse av de fysiska processerna inuti nanokristall solceller och göra det möjligt för dem att förbättra solcellens effektivitet.

Lovande utsikter tack vare kvanteffekter

Anledningen till entusiasmen hos många solcellsforskare för de små kristallerna är att vid små dimensioner kommer effekter av kvantfysik att spela in som inte observeras i bulk halvledare. Ett exempel är att de fysiska egenskaperna hos nanokristaller beror på deras storlek. Och eftersom forskare enkelt kan kontrollera nanokristallstorlek i tillverkningsprocessen, de kan också påverka egenskaperna hos nanokristall halvledare och optimera dem för solceller.

En sådan egenskap som kan påverkas av att ändra nanokristallstorlek är mängden solspektrum som kan absorberas av nanokristaller och omvandlas till elektricitet av solcellen. Halvledare absorberar inte hela solljusspektrumet, utan snarare bara strålning under en viss våglängd, eller - med andra ord - med en energi som är större än den så kallade bandgapsenergin för halvledaren. I de flesta halvledare, denna tröskel kan endast ändras genom att ändra materialet. Dock, för nanokristallkompositer, tröskeln kan ändras helt enkelt genom att ändra storleken på de enskilda kristallerna. Således kan forskare välja storleken på nanokristaller på ett sådant sätt att de absorberar den maximala mängden ljus från ett brett spektrum av solljusspektrum.

En ytterligare fördel med nanokristall halvledare är att de absorberar mycket mer solljus än traditionella halvledare. Till exempel, absorptionskoefficienten för nanokristaller av blysulfid, används av ETH -forskarna i deras experimentella arbete, är flera storleksordningar större än för kiselhalvledare, används traditionellt som solceller. Således, en relativt liten mängd material är tillräcklig för produktion av nanokristall solceller, gör det möjligt att göra mycket tunt, flexibla solceller.

Behovet av större effektivitet

Den nya modellen som ETH -forskarna presenterade svarar på en rad tidigare olösta frågor relaterade till elektrontransport i nanokristallkompositer. Till exempel, tills nu, inga experimentella bevis fanns för att bevisa att bandgapsenergin för en nanokristallkomposit beror direkt på bandgapenergin hos de enskilda nanokristallerna. "För första gången, vi har experimentellt visat att så är fallet, säger Wood.

Under de senaste fem åren har forskare har lyckats kraftigt öka effektiviteten hos nanokristall solceller, men även i de bästa av dessa solceller omvandlas bara 9 procent av det infallande solljuset på cellen till elektrisk energi. "För att vi ska börja överväga kommersiella applikationer, vi måste uppnå en effektivitet på minst 15 procent, "förklarar Wood. Hennes grupps arbete tar forskare ett steg närmare att förbättra elektrontransporten och solcellernas effektivitet.