Nanocristales semiconductores coloidales irradiados con luz ultravioleta. El confinamiento cuántico hace que la energía de la banda prohibida varíe con el tamaño del nanocristal. Cada vial contiene una muestra monodispersa de nanocristales dispersos en un disolvente líquido. Imagen cortesía de Wikipedia (c) walkman16
La carrera para lograr índices de conversión fotovoltaica cada vez más altos es, por así decirlo, un área de investigación candente. Una línea de investigación se ha centrado en puntos cuánticos - nanocristales semiconductores de menos de 2 a 10 nanómetros (alrededor de 10 a 50 átomos) de diámetro en los que el movimiento de los electrones está confinado en las tres dimensiones, como elementos fundamentales de la tecnología de células solares a nanoescala.
Aveces llamado átomos artificiales , nanopartículas compuestas de cadmio, zinc, telurio, selenio, El azufre y otros compuestos son tan minúsculos que agregar o eliminar un solo electrón representa un cambio significativo, una propiedad que los hace adecuados no solo como componentes de células solares avanzadas, pero también en iluminación de estado sólido, sensores médicos y otras aplicaciones.
En particular, puntos cuánticos coloidales (CQD):sintetizado a partir de un sistema de tres componentes compuesto por:precursores, tensioactivos orgánicos, y disolventes:se pueden ajustar cambiando su tamaño, que en las estructuras fotovoltaicas permite adaptar su respuesta espectral según sea necesario. Recientemente, Investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Toronto han demostrado las primeras células solares en tándem CQD (una serie de células solares conectadas en las que agregar más dispositivos permite optimizar cada dispositivo en un espectro más estrecho, lo que proporciona una mayor eficiencia general ) utilizando el ajuste de efecto de tamaño de un solo material CQD, sulfuro de plomo (II) (PbS). Su capacidad para sintonizar películas CQD puede permitir tándem y células solares de unión múltiple (fabricado combinando CQD de diferentes tamaños) para elevar los límites de conversión de células solares de su actual 31% a 42% 49%, respectivamente.
La investigación, dirigida por el profesor Edward H. Sargent, junto con Xihua Wang, Ghada I. Koleilat, y otros investigadores de la Universidad de Toronto:superaron las dificultades encontradas por investigaciones fotovoltaicas CQD anteriores, que estaban bloqueados por una pieza clave que faltaba:la unión, el punto de conexión, entre las celdas frontal y posterior. "Antes de nuestro artículo, "Dice Sargent, “No ha habido informes previos de una celda solar de punto cuántico coloidal que coincida de manera eficiente con las corrientes en el frente, o banda prohibida de longitud de onda visible, celda, y la celda de banda prohibida infrarroja trasera, y que suma con éxito los voltajes en cada celda. Desarrollamos una nueva técnica, que denominamos la Capa de recombinación graduada - que conecta las celdas frontal y posterior esencialmente sin pérdida de rendimiento a través de una serie de materiales que transfieren gradualmente la actividad de la celda frontal a la de la celda posterior ".
La clave es que esta pila de materiales es muy transparente, y, por lo tanto, demostró ser muy eficaz en la construcción de la primera célula tándem de puntos cuánticos coloidales eficiente. En este punto, agrega Sargent, “La principal necesidad avanzada en la energía fotovoltaica CQD es un mejor transporte dentro de la propia capa de puntos cuánticos coloidales. Esto beneficiará a las células solares de unión única y de unión múltiple por igual ".
En términos de aplicaciones, Sargent señala que “una vez que superemos el 10% de eficiencia de conversión de energía solar (hoy, los mejores informes para la energía fotovoltaica CQD son del 5,6%, así que todavía nos queda camino por recorrer), estaremos preparados para crear flexibilidad, Células solares de gran superficie a bajo coste. Específicamente, Nuestra eficiencia objetivo combinada con nuestros bajos costos de materiales y fabricación conducirá a una mejora dramática en el costo total de instalación por Watt * pico ”.
Funciones de onda de electrones confinadas 3D en un punto cuántico. Aquí, Se muestran puntos cuánticos rectangulares y triangulares. Los estados de energía en puntos rectangulares son más "tipo s" y "tipo p". Sin embargo, en un punto triangular, las funciones de onda se mezclan debido a la simetría de confinamiento. Imagen cortesía de Wikipedia (c) Saumitra R Mehrotra &Gerhard Klimeck nanohub.org/resources/8805
Sigue, luego, que los fotovoltaicos CQD son susceptibles de escalamiento significativo. "Incluso en el laboratorio de I + D, "Sargent señala, “Sintetizamos suficientes puntos cuánticos coloidales en cada corrida para cubrir un metro cuadrado de superficie con un absorbente de luz completo. Aún queda trabajo por hacer para desarrollar los enfoques finales de procesamiento de película delgada que sean compatibles con el procesamiento de rollo a rollo de gran superficie ".
Sargent señala que existe cierta superposición con la investigación sobre emisiones termoiónicas mejoradas de fotones (PETE) de la Universidad de Stanford. PETE aumenta la eficiencia de conversión de energía de los dispositivos termoiónicos (que convierten el calor en electricidad) implementados como ciclos superiores para los sistemas solares térmicos, potencialmente duplicando así las relaciones de conversión fotovoltaica. “Lo que nuestros enfoques tienen en común es dividir el espectro en dos componentes:el visible de mayor energía y el de menor energía pero abundante fotón fluencia, o flujo, infrarrojo. Dicho eso ”Subraya, “También hay diferencias importantes:nuestro enfoque no requiere concentración óptica, mientras que PETE lo hace. También, el nuestro funciona mejor a temperaturas ambiente típicas; PETE requiere que el cátodo opere a 600-800ºC ”.
Sargent considera que los próximos pasos en la investigación del equipo están "centrados en la tarea de mejorar el transporte de electrones y huecos dentro de las películas de puntos cuánticos coloidales con el objetivo de hacer que las películas procesadas a baja temperatura, flexible, células solares de bajo costo que superan el 10% de eficiencia de conversión de energía solar ".
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