Nano-Heterojuncties: Zonnecel Efficiëntie Verhogen Met Colloidale Quantum Dots

Zonnecellen benutten zonlicht en converteren het in elektriciteit. Het wereldwijde aandeel van zonne-energie is stijgend naarmate meer modules geïnstalleerd worden. Toch blijft de kloof tussen potentieel en daadwerkelijk benutting groot. Halfgeleiders fungeren als lichtabsorbers, transformerend fotonen in elektronen-gat paren die gescheiden worden door een intern elektrisch veld. Twee sleutelprocessen – lichtabsorptie en ladingsscheiding – bepalen prestaties. Levensduur van minderheidsdragers en draagmobiliteit zijn kritisch voor hoge efficiëntie. Commerciële modules bereiken momenteel 12–20% efficiëntie, terwijl state-of-the-art anorganische single-junction cellen 20–25% halen – een plateau dat de laatste decennium aanhoudt.

Oplossings-geverwerkte anorganische cellen gebouwd op colloidale quantum dots en nanokristallen bieden een aantrekkelijke route vooruit. Hun instelbare bandkloof stelt absorptie over een breed spectrum in, en hun lage-kost fabricage is aantrekkelijk voor grootschalige implementatie. Het incorporeren van meerdere quantum wells, superlattices, of quantum dots in fotovoltaïsche architecturen kan theoretisch efficiëntie ver boven conventionele bulk-halfgeleider apparaten tillen. Nanostaf-vormige donor-acceptor structuren vertonen ook stabiele prestaties in omringende lucht, hoewel uitdagingen blijven in het vernauwen van de kloof tussen geïdealiseerde en real-world conversie-efficiënten.

Donor-acceptor zonnecellen gefabriceerd volledig uit anorganische nanokristallen spin-gecast uit oplossing gebruiken CdTe/CdSe nanostaf heterojuncties. Elk ultradun (~100 nm) nanokristal wordt gedeponeerd uit een gefilterde pyridine oplossing, wat groot-oppervlakte, flexibele, dunne films oplevert dicht gepakt met nanokristallen op vrijwel elk substraat.

Spaanse onderzoekers hebben een methode gepioneerd die de lading-drager levensduur in colloidale nanokristal zonnecellen verlengt door nano-heterojuncties te engineeren samengesteld uit elektronen acceptor en donor nanomaterialen. Deze strategie levert hoge kwantumefficiënten zelfs bij gebruik van fotovoltaïsche materialen met suboptimale opto-elektronische eigenschappen. Cadmium-gebaseerde kristallen werden gekozen omdat hun dragers langer persisteren.

Door een bulk nano-heterojunctie te creëren, mengde het team acceptor en donor materialen zodat, bij belichting, fotogegenereerde elektronen-gat paren op nanoschaal scheiden en het apparaat doorlopen langs twee distincte paden. Deze architectuur reduceert recombinatie kans. Hoewel de resulterende vermogensomzettingsefficiëntie lichtjes onder die van record PbS-quantum-dot cellen gekoppeld met titania n-type elektroden ligt, demonstreert het werk een proof-of-principle. In tegenstelling tot eerdere studies die gestuurd oxide acceptors of hoge-temperatuur sinteren (>500 °C) gebruikten, biedt deze oplossings-gebaseerde, sub-100 °C proces tastbare voordelen voor lage-kost roll-to-roll fabricage.