Una celda solar de punto cuántico (QDSC) es un diseño de celda solar que utiliza puntos cuánticos como material fotovoltaico absorbente. Intenta reemplazar los materiales a granel como el silicio, cobre indio seleniuro de galio (CIGS) o CdTe. Los puntos cuánticos tienen bandgaps que son ajustables en un amplio rango de niveles de energía al cambiar su tamaño. En materiales a granel, el bandgap se fija mediante la elección del material (s). Esta propiedad hace que los puntos cuánticos sean atractivos para las células solares de múltiples uniones, donde se utilizan una variedad de materiales para mejorar la eficiencia cosechando múltiples porciones del espectro solar.
A partir de 2016, la eficiencia supera el 10%.
Fondo
Conceptos de célula solar
En una célula solar convencional, la luz es absorbida por un semiconductor, produciendo un par de agujeros de electrones (eh); el par puede estar ligado y se lo conoce como excitón. Este par está separado por un campo eléctrico interno (presente en uniones pn o diodos Schottky) y el flujo resultante de electrones y agujeros crea corriente eléctrica. El campo eléctrico interno se crea dopando una parte de la interfaz semiconductora con átomos que actúan como donantes de electrones (dopaje de tipo n) y otra con receptores de electrones (dopaje de tipo p) que da como resultado una unión pn. La generación de un eh pair requiere que los fotones tengan energía que exceda el gap band del material. Efectivamente, los fotones con energías más bajas que el bandgap no se absorben, mientras que los que son más altos pueden convertirse rápidamente (en unos 10-13 s) en los bordes de la banda, lo que reduce la producción. La limitación anterior reduce la corriente, mientras que la termalización reduce el voltaje. Como resultado, las células semiconductoras sufren una compensación entre voltaje y corriente (que puede aliviarse en parte mediante el uso de implementaciones de unión múltiple). El cálculo detallado del balance muestra que esta eficiencia no puede exceder el 31% si se usa un solo material para una célula solar.
El análisis numérico muestra que la eficiencia del 31% se logra con una banda prohibida de 1.3-1.4 eV, que corresponde a la luz en el espectro infrarrojo cercano. Esta brecha de banda es similar a la del silicio (1.1 eV), una de las muchas razones por las que el silicio domina el mercado. Sin embargo, la eficacia del silicio se limita a aproximadamente el 29%. Es posible mejorar en una celda de unión única apilando celdas verticalmente con diferentes bandgaps, lo que se denomina un enfoque «en tándem» o «unión múltiple». El mismo análisis muestra que una celda de dos capas debe tener una capa ajustada a 1.64 eV y la otra a 0.94 eV, proporcionando un rendimiento teórico de 44%. Una celda de tres capas debe ajustarse a 1.83, 1.16 y 0.71 eV, con una eficiencia del 48%. Una celda de «capa infinita» tendría una eficiencia teórica del 86%, y otros mecanismos de pérdida termodinámica representarían el resto.
Los métodos tradicionales (cristalinos) de preparación de silicio no se prestan a este enfoque debido a la falta de capacidad de ajuste de bandgap. Láminas delgadas de silicio amorfo, que debido a un requisito relajado en la preservación del momento de cristal pueden lograr bandgaps directos y la mezcla de carbono, pueden ajustar el bandgap, pero otros problemas han impedido que estos coincidan con el rendimiento de las células tradicionales. La mayoría de las estructuras de células en tándem se basan en semiconductores de mayor rendimiento, especialmente el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Las células InGaAs / GaAs / InGaP de tres capas (bandgaps 0.94 / 1.42 / 1.89 eV) tienen un registro de eficiencia del 42.3% para los ejemplos experimentales.
Sin embargo, los QDSC sufren de una absorción débil y la contribución de la absorción de la luz a temperatura ambiente es marginal. Esto se puede abordar mediante la utilización de Au nanoestrellas multi-ramificadas.
Puntos cuánticos
Los puntos cuánticos son partículas semiconductoras que se han reducido por debajo del tamaño del radio Exciton Bohr y, debido a consideraciones mecánicas cuánticas, las energías electrónicas que pueden existir dentro de ellas se convierten en energías finitas, muy similares en un átomo. Los puntos cuánticos se conocen como «átomos artificiales». Estos niveles de energía se pueden sintonizar cambiando su tamaño, lo que a su vez define la banda prohibida. Los puntos se pueden cultivar en un rango de tamaños, lo que les permite expresar una variedad de bandgaps sin cambiar el material subyacente o las técnicas de construcción. En las preparaciones típicas de química húmeda, la afinación se logra variando la duración o temperatura de la síntesis.
La capacidad de ajustar bandgap hace que los puntos cuánticos sean deseables para las células solares. Las implementaciones de unión simple que utilizan puntos cuánticos coloidales (CQD) de sulfuro de plomo (PbS) tienen bandgaps que pueden sintonizarse en el infrarrojo lejano, frecuencias que normalmente son difíciles de lograr con las células solares tradicionales. La mitad de la energía solar que llega a la Tierra se encuentra en el infrarrojo, la mayoría en la región del infrarrojo cercano. Una celda solar de punto cuántico hace que la energía infrarroja sea tan accesible como cualquier otra.
Además, CQD ofrece una fácil síntesis y preparación. Mientras están suspendidos en una forma líquida coloidal, se pueden manipular fácilmente durante toda la producción, con una campana de humo como el equipo más complejo que se necesita. Los CQD normalmente se sintetizan en pequeños lotes, pero pueden producirse en masa. Los puntos se pueden distribuir en un sustrato mediante recubrimiento por rotación, ya sea a mano o en un proceso automatizado. La producción a gran escala podría utilizar sistemas de impresión por pulverización o por laminación, lo que reduciría drásticamente los costos de construcción del módulo.
Producción
Los primeros ejemplos usaron costosos procesos de epitaxia de haz molecular. Sin embargo, la falta de coincidencia del retículo resulta en la acumulación de tensión y, por lo tanto, en la generación de defectos, lo que restringe el número de capas apiladas. La técnica de crecimiento de epitaxia de Droplet muestra sus ventajas en la fabricación de QD sin deformación. Alternativamente, se desarrollaron métodos de fabricación menos costosos. Estos usan química húmeda (para CQD) y el posterior procesamiento de la solución. Las soluciones de nanopartículas concentradas se estabilizan mediante largos ligandos de hidrocarburos que mantienen los nanocristales suspendidos en la solución.
Para crear un sólido, estas soluciones se reducen [se necesita aclaración] y los ligandos estabilizadores largos se reemplazan por reticuladores de cadena corta. La ingeniería química de la superficie de nanocristales puede pasivar mejor los nanocristales y reducir los estados de trampas perjudiciales que reducirían el rendimiento del dispositivo por medio de la recombinación de portadores. [Aclaración necesaria] Este enfoque produce una eficiencia del 7,0%.
Un estudio más reciente utiliza diferentes ligandos para diferentes funciones ajustando su alineación de banda relativa para mejorar el rendimiento hasta el 8,6%. Las células se procesaron en solución en aire a temperatura ambiente y exhibieron estabilidad al aire durante más de 150 días sin encapsulación.
En 2014, se introdujo el uso de yoduro como un ligando que no se une al oxígeno. Esto mantiene las capas estables ny p, lo que aumenta la eficiencia de absorción, lo que produce una eficiencia de conversión de energía de hasta 8%.
Historia
La idea de usar puntos cuánticos como un camino hacia la alta eficiencia fue notada por primera vez por Burnham y Duggan en 1990. En ese momento, la ciencia de los puntos cuánticos, o «pozos» como se los conocía, estaba en su infancia y los primeros ejemplos eran simplemente estando disponible
Esfuerzos de DSSC
Otro diseño de celda moderna es la célula solar sensibilizada por colorante, o DSSC. Los DSSC usan una capa de TiO similar a una esponja
2 como la válvula semiconductora, así como una estructura de soporte mecánico. Durante la construcción, la esponja se llena con un colorante orgánico, típicamente rutenio-polipiridina, que inyecta electrones en el dióxido de titanio tras la fotoexcitación. Este colorante es relativamente caro, y el rutenio es un metal raro.
El uso de puntos cuánticos como una alternativa a los colorantes moleculares se consideró desde los primeros días de la investigación DSSC. La capacidad de ajustar el bandgap permitió al diseñador seleccionar una variedad más amplia de materiales para otras partes de la celda. Grupos colaboradores de la Universidad de Toronto y la École Polytechnique Fédérale de Lausanne desarrollaron un diseño basado en un electrodo posterior directamente en contacto con una película de puntos cuánticos, eliminando el electrolito y formando una heterounión empobrecida. Estas células alcanzaron 7.0% de eficiencia, mejor que los mejores dispositivos DSSC de estado sólido, pero por debajo de los basados en electrolitos líquidos.
Multi-empalme
Telururo de cadmio (CdTe) se usa para células que absorben frecuencias múltiples. Una suspensión coloidal de estos cristales se centrifuga sobre un sustrato tal como un delgado portaobjetos de vidrio, encapsulado en un polímero conductor. Estas células no usaron puntos cuánticos, sino que compartieron características con ellos, como la fundición por rotación y el uso de un conductor de película delgada. En escalas de producción bajas, los puntos cuánticos son más caros que los nanocristales producidos en masa, pero el cadmio y el telururo son metales raros y altamente tóxicos sujetos a variaciones de precios.
El Grupo Sargent [¿quién?] Usó sulfuro de plomo como donante de electrones sensible a infrarrojos para producir entonces células solares IR de eficiencia récord. El centrifugado puede permitir la construcción de celdas «en tándem» a un costo muy reducido. Las células originales usaban un sustrato de oro como un electrodo, aunque el níquel funciona igual de bien.
Captura de portadora caliente
Otra forma de mejorar la eficiencia es capturar la energía extra en el electrón cuando se emite desde un material de banda única. En materiales tradicionales como el silicio, la distancia desde el sitio de emisión hasta el electrodo donde se cosechan es demasiado grande para permitir que esto ocurra; el electrón sufrirá muchas interacciones con los materiales cristalinos y la retícula, renunciando a esta energía extra en forma de calor. Como alternativa, se trató de silicio amorfo de capa fina, pero los defectos inherentes a estos materiales superaron su ventaja potencial. Las células de película delgada modernas generalmente son menos eficientes que el silicio tradicional.
Los donantes nanoestructurados pueden moldearse como películas uniformes que evitan los problemas con defectos. Estos estarían sujetos a otros problemas inherentes a los puntos cuánticos, especialmente los problemas de resistividad y la retención de calor.
Múltiples excitones
En 2004, el Laboratorio Nacional de Los Alamos informó evidencia espectroscópica de que varios excitones podrían ser generados de manera eficiente al absorber un único fotón energético en un punto cuántico. Capturarlos atrapará más energía a la luz del sol. En este enfoque, conocido como «multiplicación de portadora» (CM) o «generación de excitones múltiples» (MEG), el punto cuántico se sintoniza para liberar múltiples pares de electrón-agujero a una energía más baja en lugar de un par a alta energía. Esto aumenta la eficiencia a través de una mayor fotocorriente. Los puntos de LANL estaban hechos de seleniuro de plomo.
En 2010, la Universidad de Wyoming demostró un rendimiento similar utilizando células DCCS. Los puntos de plomo-azufre (PbS) demostraron la eyección de dos electrones cuando los fotones entrantes tenían aproximadamente tres veces la energía del intervalo de banda.
En 2005, NREL demostró MEG en puntos cuánticos, produciendo tres electrones por fotón y una eficiencia teórica del 65%. En 2007, lograron un resultado similar en silicio.
No oxidante
En 2014, un grupo de la Universidad de Toronto fabricó y demostró un tipo de célula CQD de tipo n utilizando PbS con un tratamiento especial para que no se vincule con el oxígeno. La celda alcanzó un 8% de eficiencia, apenas por debajo del récord actual de eficiencia QD. Tales células crean la posibilidad de células «rociadas» no recubiertas. Sin embargo, estos CQD de tipo n estables al aire se fabricaron en realidad en un entorno libre de oxígeno.
También en 2014, otro grupo de investigación en MIT demostró que las células solares ZnO / PbS estables al aire que se fabricaron en el aire lograron una eficiencia récord certificada del 8,55% (9,2% en laboratorio) porque absorbían la luz bien, mientras que también transportaban carga a colectores en el borde de la celda. Estas células muestran una estabilidad del aire sin precedentes para las células solares punto cuánticas que el rendimiento se mantuvo sin cambios durante más de 150 días de almacenamiento en el aire.