Genom att kombinera kvantprickar och organiska molekyler kan solceller fånga mer av solens ljus.

Ljus från solen är vår vanligaste källa till förnybar energi, och att lära sig hur man bäst skördar denna strålning är nyckeln till världens framtida energibehov. Forskare vid KAUST har upptäckt att effektiviteten hos solceller kan ökas genom att kombinera oorganiska halvledarnanokrystaller med organiska molekyler.

Quantum dots är kristaller som bara mäter ungefär 10 nanometer över. En elektron som fångas av pricken har helt andra egenskaper än en elektron som är fri att röra sig genom ett större material.

"En av de största fördelarna med kvantprickar för solcellsteknologier är deras optiska egenskapernas avstämning, "förklarade KAUST biträdande professor i kemisk vetenskap Omar Mohammed." De kan kontrolleras genom att variera storleken på kvantpunkten. "

Mohammed och hans kollegor utvecklar kvantprickar av blysulfid för skörd av optisk energi; dessa tenderar att vara större än prickar gjorda av andra material. Följaktligen, blysulfidkvantprickar kan absorbera ljus över ett större frekvensområde. Det betyder att de kan absorbera en större andel av ljuset från solen jämfört med andra mindre prickar.

För att göra en fullt fungerande solcell, elektroner måste kunna röra sig bort från kvantpunktsabsorptionsområdet och flöda mot en elektrod. Ironiskt, egenskapen med stora blysulfidkvantprickar som gör dem användbara för bredbandsabsorption - en mindre elektronenergibandgap - hindrar också denna energihämtningsprocess. Tidigare, effektiv elektronöverföring hade bara uppnåtts för blysulfidkvantpunkter mindre än 4,3 nanometer över, vilket orsakade en avstängning av ljusets frekvens.

Innovationen av Mohammed och teamet var att blanda kvantprickar av blysulfid i olika storlekar med molekyler från en familj som kallas porfyriner. Forskarna visade att genom att byta porfyrin som används, det är möjligt att styra laddningsöverföringen från stora blysulfidprickar; medan en molekyl stängde av laddningsöverföring helt och hållet, en annan möjliggjorde överföring med en hastighet snabbare än 120 femtosekunder.

Teamet tror att denna förbättring av energiupptagningsförmågan beror på de gränsytliga elektrostatiska interaktionerna mellan den negativt laddade kvantpunktytan och det positivt laddade porfyrinet.

"Med detta tillvägagångssätt, vi kan nu förlänga kvantpunktstorleken för effektiv laddningsöverföring till att omfatta det mesta av det nära-infraröda spektralområdet, nå utöver den tidigare rapporterade avstängningen, "sade Mohammed." Vi hoppas nästa att implementera denna idé i solceller med olika arkitekturer för att optimera effektiviteten. "