(Phys.org) —Los científicos han descubierto que una célula solar que consta de dos o tres capas de puntos cuánticos, con cada capa sintonizada con una parte diferente del espectro solar, tiene una eficiencia que es un 40-60% más alta que la suma de las eficiencias de las células solares separadas, cada una de las cuales está formada por una de las capas individuales. El efecto sinérgico de la arquitectura en capas podría conducir a nuevas formas de diseñar células solares de puntos cuánticos con altas eficiencias y absorción de amplio espectro.

Los investigadores que diseñaron y fabricaron las nuevas células solares, Pralay K. Santra y el profesor Prashant V. Kamat en la Universidad de Notre Dame en Indiana, quería probar el concepto propuesto anteriormente de una célula solar arco iris, que puede recolectar fotones de todos los "colores" o longitudes de onda del espectro visible.

Para fabricar una célula solar arcoíris, los científicos necesitan incorporar componentes de captación de luz con varias propiedades para capturar diferentes partes del espectro. Una forma de hacer esto es usando puntos cuánticos, que se puede ajustar para capturar longitudes de onda de luz específicas. La forma típica de ajustar la banda prohibida de un punto cuántico para capturar una longitud de onda de luz particular es controlar el tamaño del punto durante la síntesis.

Aquí, los investigadores eligieron una forma diferente de ajustar los espacios entre las bandas de los puntos:controlando su composición. Todos los puntos cuánticos que utilizaron eran aproximadamente del mismo tamaño (4,5 nm) y estaban hechos de cadmio, selenio, y azufre, pero se varió la cantidad de selenio en cada punto. Los puntos cuánticos con las cantidades más pequeñas de selenio tenían los espacios de banda más grandes y capturaban las longitudes de onda de luz más cortas. Basado en esta relación, los investigadores sintetizaron tres tipos de puntos cuánticos:verde, que tenía la mayor banda prohibida; naranja, que tenía una banda prohibida intermedia; Y Rojo, que tenía la menor banda prohibida.

Después de sintetizar los puntos cuánticos, los investigadores los depositaron en un TiO ₂ filmar una capa a la vez, comenzando con los puntos verdes, seguido de naranja, y finalmente rojo. La película de capas en tándem se utilizó luego como un fotoanodo, que recoge la luz entrante en una celda solar.

"A lo mejor de nuestro conocimiento, este es el primer enfoque sistemático de depositar dos o más capas de puntos para recolectar fotones secuencialmente en células solares de puntos cuánticos, "Kamat dijo Phys.org . "El ajuste de los espacios de banda de los puntos cuánticos variando la composición es una idea relativamente nueva y está siendo explorada por algunos grupos".

Al experimentar con diferentes versiones de esta nueva célula solar en tándem, los investigadores descubrieron que podían lograr el mejor rendimiento con solo dos capas:una capa de puntos naranjas seguida de una capa de puntos rojos. Esta celda compuesta exhibió una eficiencia del 3.2%, mientras que una celda que incluía los puntos verdes tenía una eficiencia ligeramente menor de 3.0%

Aún más interesante es el efecto sinérgico que los científicos descubrieron en estas células. La eficiencia observada de la celda de capa naranja / roja de 3.2% es 41% más alta que la eficiencia esperada de 2.27%, que se calcula sumando las eficiencias de dos celdas separadas, uno con naranja y otro con puntos rojos. Y la eficiencia observada de una celda con los tres colores de puntos, 3,0%, es un 60% más alta que la eficiencia aditiva estimada de 1,87%.

Aunque los científicos no están exactamente seguros de qué causa los efectos sinérgicos, tienen dos ideas. Una posibilidad es que las energías de la banda de los puntos se alineen de tal manera que permitan una cascada de transferencia de electrones desde puntos con banda prohibida más grande a puntos con banda prohibida más pequeña, donde se acumulan los electrones. La otra idea implica la transferencia de energía desde los puntos con banda prohibida más grande a los puntos con banda prohibida más pequeña, donde se concentra la excitación. En ambos escenarios, los electrones o excitaciones mejoran el proceso de transferencia de electrones, lo que conduce a una mayor generación de energía y mayores eficiencias. Los científicos sospechan que ambas vías pueden funcionar juntas para mejorar el rendimiento.

"La importancia de las células solares de puntos cuánticos en capas en tándem aún no se ha comprendido por completo, ", Dijo Kamat." Este es nuestro primer esfuerzo y abre nuevas formas de diseñar células solares de mayor eficiencia. La estructura en tándem permite la absorción selectiva de luz, maximizando así la eficiencia de la conversión de energía luminosa. Las pérdidas de energía que surgen de la termalización de los electrones excitados pueden minimizarse en gran medida con este sencillo enfoque ".

Sobre la base de estas ideas, los científicos esperan mejorar aún más el rendimiento de las células solares en el futuro.

"Aún necesitamos más mejoras en la eficiencia de conversión de energía, ", Dijo Kamat." Ahora hemos iniciado un enfoque de múltiples frentes para mejorar la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos en tándem mediante la incorporación de puntos cuánticos de diferentes materiales (sulfuro de cobre e indio, seleniuro de cadmio y seleniuro de plomo) y extienden la fotorrespuesta más en el infrarrojo. Se están realizando mediciones espectroscópicas para establecer los efectos sinérgicos en las células solares de puntos cuánticos en tándem ".

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