Eine Quantenpunkt-Solarzelle (QDSC) ist ein Solarzellen-Design, das Quantenpunkte als absorbierendes photovoltaisches Material verwendet. Es versucht, Bulk-Materialien wie Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) oder CdTe zu ersetzen. Quantenpunkte haben Bandlücken, die durch Änderung ihrer Größe über einen weiten Bereich von Energieniveaus abstimmbar sind. In Bulk-Materialien wird die Bandlücke durch die Wahl des Materials (der Materialien) festgelegt. Diese Eigenschaft macht Quantenpunkte für Solarzellen mit Mehrfachübergängen attraktiv, bei denen eine Vielzahl von Materialien verwendet wird, um die Effizienz durch Ernten mehrerer Teile des Sonnenspektrums zu verbessern.

Ab 2016 übersteigt die Effizienz 10%.

Hintergrund

Solarzellen-Konzepte
In einer herkömmlichen Solarzelle wird Licht von einem Halbleiter absorbiert, wodurch ein Elektron-Loch- (eh) -Paar erzeugt wird; das Paar kann gebunden sein und wird als Exciton bezeichnet. Dieses Paar ist durch ein internes elektrisches Feld (in pn-Übergängen oder Schottky-Dioden vorhanden) getrennt, und der resultierende Elektronen- und Lochfluss erzeugt elektrischen Strom. Das innere elektrische Feld wird durch Dotieren eines Teils der Halbleitergrenzfläche mit Atomen erzeugt, die als Elektronendonatoren wirken (Dotierung vom n-Typ), und ein anderes mit Elektronenakzeptoren (Dotierung vom p-Typ), was zu einem pn-Übergang führt. Die Erzeugung eines eh-Paars erfordert, dass die Photonen Energie haben, die die Bandlücke des Materials übersteigt. Effektiv werden Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke nicht absorbiert, während diejenigen, die höher sind, schnell (innerhalb von etwa 10 – 13 s) zu den Bandkanten thermalisieren können, wodurch die Ausgangsleistung verringert wird. Die erstgenannte Begrenzung reduziert den Strom, während die Thermalisierung die Spannung reduziert. Infolgedessen leiden Halbleiterzellen unter einem Kompromiss zwischen Spannung und Strom (der teilweise durch Verwendung von Implementierungen mit mehreren Übergängen gemildert werden kann). Die detaillierte Bilanzberechnung zeigt, dass dieser Wirkungsgrad 31% nicht überschreiten kann, wenn ein einzelnes Material für eine Solarzelle verwendet wird.

Die numerische Analyse zeigt, dass die 31% ige Effizienz mit einer Bandlücke von 1,3-1,4 eV erreicht wird, was dem Licht im nahen Infrarotspektrum entspricht. Diese Bandlücke liegt nahe bei der von Silizium (1,1 eV), einer der vielen Gründe, warum Silizium den Markt dominiert. Der Wirkungsgrad von Silizium ist jedoch auf etwa 29% begrenzt. Es ist möglich, eine Einzelübergangszelle durch vertikales Stapeln von Zellen mit unterschiedlichen Bandlücken zu verbessern – was als „Tandem-“ oder „Mehrfachübergangs“ -Ansatz bezeichnet wird. Dieselbe Analyse zeigt, dass eine zweischichtige Zelle eine auf 1,64 eV und die andere auf 0,94 eV abgestimmte Schicht haben sollte, was eine theoretische Leistung von 44% ergibt. Eine dreischichtige Zelle sollte auf 1,83, 1,16 und 0,71 eV mit einer Effizienz von 48% abgestimmt werden. Eine „Infinity-Layer“ -Zelle hätte eine theoretische Effizienz von 86%, wobei andere thermodynamische Verlustmechanismen für den Rest verantwortlich sind.

Herkömmliche (kristalline) Silicium-Herstellungsverfahren eignen sich aufgrund fehlender Bandlückenabstimmbarkeit nicht für diesen Ansatz. Dünnfilme aus amorphem Silizium, die aufgrund einer entspannten Anforderung bei der Erhaltung des Kristallimpulses direkte Bandlücken und eine Vermischung von Kohlenstoff erreichen können, können die Bandlücke abstimmen, aber andere Probleme haben verhindert, dass diese die Leistung herkömmlicher Zellen erreichen. Die meisten Tandem-Zellen-Strukturen basieren auf leistungsfähigeren Halbleitern, insbesondere Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Dreischichtige InGaAs / GaAs / InGaP-Zellen (Bandlücken 0,94 / 1,42 / 1,89 eV) halten die Effizienzaufzeichnung von 42,3% für experimentelle Beispiele.

Die QDSCs leiden jedoch unter einer schwachen Absorption und der Beitrag der Lichtabsorption bei Raumtemperatur ist gering. Dies kann durch Verwendung von mehrfach verzweigten Au-Nanostars erreicht werden.

Quantenpunkte
Quantenpunkte sind halbleitende Teilchen, die unter den Umfang des Exciton-Bohr-Radius reduziert wurden, und aus quantenmechanischen Erwägungen werden die Elektronenenergien, die in ihnen existieren können, endlich, ähnlich wie Energien in einem Atom. Quantenpunkte wurden als „künstliche Atome“ bezeichnet. Diese Energieniveaus sind durch Ändern ihrer Größe abstimmbar, was wiederum die Bandlücke definiert. Die Punkte können über eine Reihe von Größen gezüchtet werden, so dass sie eine Vielzahl von Bandlücken ausdrücken können, ohne das zugrunde liegende Material oder die Konstruktionstechniken zu verändern. In typischen nasschemischen Präparaten wird die Abstimmung durch Variation der Synthesedauer oder -temperatur erreicht.

Die Fähigkeit, die Bandlücke abzustimmen, macht Quantenpunkte für Solarzellen wünschenswert. Ein-Junction-Implementierungen unter Verwendung von kolloidalen Quantenpunkten aus Bleisulfid (PbS) (CQD) haben Bandlücken, die auf das ferne Infrarot abgestimmt werden können, Frequenzen, die mit herkömmlichen Solarzellen typischerweise schwer zu erreichen sind. Die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, befindet sich im Infraroten, am meisten im nahen Infrarotbereich. Eine Quantenpunkt-Solarzelle macht Infrarot-Energie so zugänglich wie jedes andere.

Darüber hinaus bieten CQD einfache Synthese und Vorbereitung. Während sie in einer kolloidalen flüssigen Form suspendiert sind, können sie leicht während der gesamten Produktion gehandhabt werden, mit einem Abzug als der komplexesten Ausrüstung, die benötigt wird. CQD werden typischerweise in kleinen Chargen synthetisiert, können jedoch in Massenproduktion hergestellt werden. Die Punkte können durch Schleuderbeschichtung auf einem Substrat verteilt werden, entweder von Hand oder in einem automatisierten Verfahren. In der Großproduktion könnten Sprüh- oder Rollendrucksysteme verwendet werden, wodurch die Kosten für den Bau von Modulen drastisch gesenkt werden.

Produktion
Frühe Beispiele verwendeten teure Molekularstrahlepitaxieverfahren. Die Gitterfehlanpassung führt jedoch zu einer Akkumulation von Dehnung und somit zur Erzeugung von Defekten, wodurch die Anzahl der gestapelten Schichten beschränkt wird. Die Tröpfchen-Epitaxie-Wachstumstechnik zeigt ihre Vorteile bei der Herstellung von spannungsfreien QDs. Alternativ wurden später weniger teure Herstellungsverfahren entwickelt. Diese verwenden Nasschemie (für CQD) und nachfolgende Lösungsverarbeitung. Konzentrierte Nanopartikellösungen werden durch lange Kohlenwasserstoffliganden stabilisiert, die die Nanokristalle in Lösung suspendieren.

Um einen Feststoff zu erzeugen, werden diese Lösungen niedergeschlagen [Klärung benötigt] und die langen stabilisierenden Liganden werden durch kurzkettige Vernetzer ersetzt. Chemisches Engineering der Nanokristalloberfläche kann die Nanokristalle besser passivieren und schädliche Einfangzustände reduzieren, die die Leistung des Bauelements durch Ladungsträgerrekombination beeinträchtigen würden. [Klärung erforderlich] Dieser Ansatz ergibt einen Wirkungsgrad von 7,0%.

Eine neuere Studie verwendet verschiedene Liganden für verschiedene Funktionen, indem sie ihre relative Bandausrichtung abstimmt, um die Leistung auf 8,6% zu verbessern. Die Zellen wurden in Luft bei Raumtemperatur in Lösung verarbeitet und zeigten eine Luftstabilität von mehr als 150 Tagen ohne Verkapselung.

2014 wurde die Verwendung von Iodid als Ligand, der nicht an Sauerstoff bindet, eingeführt. Dadurch bleiben stabile Schichten vom n- und p-Typ erhalten, was die Absorptionseffizienz steigert, was zu einer Leistungsumwandlungseffizienz von bis zu 8% führte.

Geschichte
Die Idee, Quantenpunkte als Weg zu hoher Effizienz zu verwenden, wurde erstmals von Burnham und Duggan im Jahr 1990 erwähnt. Zu dieser Zeit steckte die Wissenschaft der Quantenpunkte oder „Wells“, wie sie bekannt waren, noch in den Kinderschuhen verfügbar werden.

DSSC Bemühungen
Ein anderes modernes Zelldesign ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC). DSSCs verwenden eine schwammartige Schicht aus TiO
2 als das Halbleiterventil sowie eine mechanische Stützstruktur. Während des Aufbaus ist der Schwamm mit einem organischen Farbstoff, typischerweise Ruthenium-Polypyridin, gefüllt, der nach Photoanregung Elektronen in das Titandioxid injiziert. Dieser Farbstoff ist relativ teuer und Ruthenium ist ein seltenes Metall.

Die Verwendung von Quantenpunkten als eine Alternative zu molekularen Farbstoffen wurde seit den frühesten Tagen der DSSC-Forschung in Betracht gezogen. Die Fähigkeit, die Bandlücke abzustimmen, erlaubte dem Designer, eine breitere Vielfalt von Materialien für andere Teile der Zelle auszuwählen. Kollaborierende Gruppen der Universität Toronto und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne entwickelten ein Design, das auf einer Rückelektrode basiert, die direkt mit einem Film aus Quantenpunkten in Kontakt steht, wodurch der Elektrolyt eliminiert und eine verarmte Heterojunktion gebildet wird. Diese Zellen erreichten eine Effizienz von 7,0%, besser als die besten Festkörper-DSSC-Vorrichtungen, jedoch unter denen, die auf flüssigen Elektrolyten basieren.

Mehrfachverbindung
Cadmiumtellurid (CdTe) wird für Zellen verwendet, die mehrere Frequenzen absorbieren. Eine kolloidale Suspension dieser Kristalle wird durch Spin-Casting auf ein Substrat, wie einen dünnen Glasobjektträger, aufgebracht, der in ein leitfähiges Polymer eingebettet ist. Diese Zellen verwendeten keine Quantenpunkte, sondern teilten sie mit ihnen, wie z. B. Schleudergießen und die Verwendung eines Dünnfilmleiters. Bei niedrigen Produktionsmaßstäben sind Quantum Dots teurer als massenproduzierte Nanokristalle, aber Cadmium und Tellurid sind seltene und hochtoxische Metalle, die Preisschwankungen ausgesetzt sind.

Die Sargent-Gruppe [wer?] Verwendete Bleisulfid als infrarotempfindlichen Elektronendonor, um dann IR-Solarzellen mit Rekord-Effizienz herzustellen. Spin-Casting kann die Konstruktion von „Tandem“ -Zellen zu stark reduzierten Kosten ermöglichen. Die ursprünglichen Zellen verwendeten ein Goldsubstrat als Elektrode, obwohl Nickel genauso gut funktioniert.

Hot-Carrier-Erfassung
Ein anderer Weg zur Verbesserung der Effizienz besteht darin, die zusätzliche Energie in dem Elektron einzufangen, wenn es von einem Material mit einer einzigen Bandlücke emittiert wird. In traditionellen Materialien wie Silizium ist der Abstand von der Emissionsstelle zu der Elektrode, an der sie geerntet werden, zu groß, um dies zu ermöglichen; Das Elektron wird viele Wechselwirkungen mit den Kristallmaterialien und dem Gitter eingehen und diese zusätzliche Energie als Wärme abgeben. Amorphes Dünnschicht-Silizium wurde als Alternative versucht, aber die diesen Materialien innewohnenden Defekte übertrumpften ihren potentiellen Vorteil. Moderne Dünnschichtzellen sind im Allgemeinen weniger effizient als herkömmliches Silizium.

Nanostrukturierte Donoren können als einheitliche Filme gegossen werden, die die Probleme mit Defekten vermeiden. Diese würden anderen Quantendots innewohnenden Problemen unterliegen, insbesondere Problemen mit dem spezifischen Widerstand und Wärmeretention.

Mehrere Exzitonen
Im Jahr 2004 berichtete das Los Alamos National Laboratory über spektroskopische Belege, dass mehrere Exzitonen bei Absorption eines einzelnen, energetischen Photons in einem Quantenpunkt effizient erzeugt werden können. Sie einzufangen, würde mehr Energie im Sonnenlicht fangen. Bei diesem Ansatz, der als „Trägermultiplikation“ (CM) oder „Mehrfachexziton-Erzeugung“ (MEG) bekannt ist, wird der Quantenpunkt so eingestellt, dass er mehrere Elektronen-Loch-Paare bei einer niedrigeren Energie statt eines Paares bei hoher Energie freisetzt. Dies erhöht die Effizienz durch erhöhten Photostrom. LANL-Punkte wurden aus Bleiselenid hergestellt.

Im Jahr 2010 zeigte die Universität von Wyoming eine ähnliche Leistung mit DCCS-Zellen. Blei-Schwefel (PbS) -Punkte zeigten einen Zwei-Elektronen-Ausstoß, wenn die einfallenden Photonen etwa das Dreifache der Bandlückenenergie hatten.

Im Jahr 2005 demonstrierte NREL MEG in Quantenpunkten, wobei drei Elektronen pro Photon und eine theoretische Effizienz von 65% erzeugt wurden. Im Jahr 2007 erzielten sie ein ähnliches Ergebnis in Silizium.

Nicht oxidierend
Im Jahr 2014 hat eine Gruppe aus der Universität Toronto eine Art CQD-n-Typ-Zelle hergestellt und demonstriert, die PbS mit spezieller Behandlung verwendet, so dass sie nicht mit Sauerstoff bindet. Die Zelle erreichte 8% Effizienz, nur knapp vor der aktuellen QD-Effizienzrekord. Solche Zellen schaffen die Möglichkeit unbeschichteter „Spray-On“ -Zellen. Diese luftstabilen CQD vom n-Typ wurden jedoch tatsächlich in einer sauerstofffreien Umgebung hergestellt.

Eine weitere Forschungsgruppe am MIT zeigte 2014 luftstabile ZnO / PbS-Solarzellen, die in Luft hergestellt wurden und eine zertifizierte Effizienz von 8,55% erreichten (9,2% im Labor), da sie das Licht gut absorbierten und gleichzeitig die Ladung zu den Sammlern transportierten der Rand der Zelle. Diese Zellen zeigen beispiellose Luftstabilität für Quantenpunktsolarzellen, wobei die Leistung für mehr als 150 Tage Lagerung in Luft unverändert blieb.