Нано-гетеропереходы: усиление эффективности солнечных элементов коллоидными квантовыми точками

Основы солнечных элементов

Солнечные элементы улавливают солнечный свет и конвертируют его в электричество. Глобальная доля солнечной генерации стабильно растет по мере установки большего числа модулей. Однако разрыв между потенциалом и фактическим использованием остается большим. Полупроводники действуют как поглотители света, трансформируя фотоны в электрон-дырочные пары, разделяемые внутренним электрическим полем. Два ключевых процесса — поглощение света и разделение зарядов — определяют производительность. Долговечность меньшинственных носителей и подвижность носителей критичны для высокой эффективности. Коммерческие модули сейчас достигают 12–20% эффективности, в то время как передовые неорганические однопереходные ячейки достигают 20–25% — плато, сохранявшееся последнее десятилетие.

Неорганические квантово-точечные солнечные элементы

Растворно-обработанные неорганические ячейки, построенные на коллоидных квантовых точках и нанокристаллах, предлагают убедительный путь вперед. Их настраиваемые запрещенные зоны позволяют поглощение по широкому спектру, и их низкозатратная фabрикация привлекательна для крупномасштабного развертывания. Включение множественных квантовых ям, суперрешеток или квантовых точек в фотоэлектрические архитектуры теоретически может поднять эффективность далеко за пределы обычных объемных полупроводниковых устройств. Наностержневые донор-акцепторные структуры также демонстрируют стабильную производительность в окружающей среде, хотя вызовы остаются в сужении разрыва между идеализированными и реальными конверсионными эффективностями.

Наностержневые гетеропереходы

Донор-акцептор солнечные элементы, полностью фabрикованные из неорганических нанокристаллов спин-кастинга из раствора, используют CdTe/CdSe наностержневые гетеропереходы. Каждый ультратонкий (~100 нм) нанокристалл осаждается из отфильтрованного пиридинового раствора, давая большие площади, гибкие тонкие пленки, плотно упакованные нанокристаллами на практически любом субстрате.

Научные высоты

Испанские исследователи пioniировали метод, удлиняющий время жизни зарядовых носителей в коллоидных нанокристаллических солнечных элементах инженерированием нано-гетеропереходов из электрон-акцепторных и донорных наноматериалов. Эта стратегия дает высокие квантовые эффективности даже при использовании фотоэлектрических материалов с субортимальными оптико-электронными свойствами. Кадмий-базированные кристаллы выбраны, потому что их носители живут дольше.

Удлинение жизни носителей

Создавая объемный нано-гетеропереход, команда смешала акцепторные и донорные материалы так, что при освещении фотогенерированные электрон-дырочные пары разделяются на наномасштабе и проходят через устройство по двум отличным путям. Эта архитектура снижает вероятность рекомбинации. Хотя полученная энергоконверсионная эффективность слегка ниже рекордных PbS-квантово-точечных ячеек, парных с титаниевыми n-тип электродами, работа демонстрирует доказательство принципа. В отличие от предыдущих исследований, опиравшихся на спуттерированные оксидные акцепторы или высокотемпературную спекание (>500 °C), этот растворный, суб-100 °C процесс предлагает осязаемые преимущества для низкозатратного рулонно-рулонного производства.