Una cella solare a punti quantici (QDSC) è un modello di cella solare che utilizza punti quantici come materiale fotovoltaico assorbente. Cerca di sostituire materiali sfusi come silicio, rame indio, gallio seleniuro (CIGS) o CdTe. I punti quantici hanno bandgap che sono regolabili su un’ampia gamma di livelli di energia cambiando le loro dimensioni. Nei materiali alla rinfusa, il bandgap è fissato dalla scelta del materiale (s). Questa proprietà rende i punti quantici attraenti per le celle solari a più giunzioni, dove viene utilizzata una varietà di materiali per migliorare l’efficienza raccogliendo più porzioni dello spettro solare.

A partire dal 2016, l’efficienza supera il 10%.

sfondo

Concetti di celle solari
In una cella solare convenzionale, la luce viene assorbita da un semiconduttore, producendo una coppia di elettroni (e-h); la coppia può essere legata ed è indicata come un eccitone. Questa coppia è separata da un campo elettrico interno (presente in giunzioni p-n o diodi Schottky) e il flusso risultante di elettroni e fori crea corrente elettrica. Il campo elettrico interno viene creato drogando una parte dell’interfaccia di semiconduttori con atomi che agiscono come donatori di elettroni (drogaggio di tipo n) e un altro con accettori di elettroni (drogaggio di tipo p) che risulta in una giunzione p-n. La generazione di una coppia e-h richiede che i fotoni abbiano energia che supera il bandgap del materiale. In effetti, i fotoni con energie inferiori al bandgap non vengono assorbiti, mentre quelli che sono più alti possono rapidamente (entro circa 10-13 s) termalizzare ai bordi della banda, riducendo l’output. La precedente limitazione riduce la corrente, mentre la termalizzazione riduce la tensione. Di conseguenza, le celle a semiconduttore subiscono un compromesso tra tensione e corrente (che può essere in parte alleviata utilizzando più implementazioni di giunzione). Il calcolo dettagliato del saldo mostra che questa efficienza non può superare il 31% se si utilizza un singolo materiale per una cella solare.

L’analisi numerica mostra che l’efficienza del 31% è ottenuta con una banda proibita di 1,3-1,4 eV, corrispondente alla luce nello spettro del vicino infrarosso. Questo gap di banda è simile a quello del silicio (1.1 eV), una delle molte ragioni per cui il silicio domina il mercato. Tuttavia, l’efficienza del silicio è limitata a circa il 29%. È possibile migliorare su una cella a giunzione singola accatastando verticalmente celle con diverse bande di banda, denominate approccio “tandem” o “multi-junction”. La stessa analisi mostra che una cella a due strati dovrebbe avere uno strato sintonizzato su 1,64 eV e l’altro su 0,94 eV, fornendo una prestazione teorica del 44%. Una cella a tre strati deve essere sintonizzata su 1,83, 1,16 e 0,71 eV, con un’efficienza del 48%. Una cella “a strato infinito” avrebbe un’efficienza teorica dell’86%, con altri meccanismi di perdita termodinamici che rappresentano il resto.

I metodi di preparazione del silicio tradizionali (cristallini) non si prestano a questo approccio a causa della mancanza di tunabilabilità del bandgap. Film sottili di silicio amorfo, che a causa di un requisito rilassato nella conservazione del momento cristallino possono ottenere bandgap diretti e mescolanza di carbonio, possono accordare il bandgap, ma altri problemi hanno impedito che questi corrispondessero alle prestazioni delle celle tradizionali. La maggior parte delle strutture a cellule tandem si basa su semiconduttori a prestazioni più elevate, in particolare l’indio gallio arsenico (InGaAs). Le celle InGaAs / GaAs / InGaP a tre strati (bandgap 0.94 / 1.42 / 1.89 eV) detengono il record di efficienza del 42.3% per esempi sperimentali.

Tuttavia, le QDSC soffrono di un debole assorbimento e il contributo dell’assorbimento della luce a temperatura ambiente è marginale. Questo può essere risolto utilizzando nanotecnologie Au multi-ramificate.

Punti quantici
I punti quantici sono particelle semiconduttive che sono state ridotte al di sotto delle dimensioni del raggio di Exciton Bohr e, a causa delle considerazioni sulla meccanica quantistica, le energie elettroniche che possono esistere al loro interno diventano energie finite, molto simili in un atomo. I punti quantici sono stati definiti “atomi artificiali”. Questi livelli di energia sono sintonizzabili cambiando la loro dimensione, che a sua volta definisce il bandgap. I punti possono essere cresciuti in una gamma di dimensioni, consentendo loro di esprimere una varietà di bandgap senza cambiare il materiale sottostante o le tecniche di costruzione. Nelle preparazioni tipiche della chimica umida, la sintonizzazione viene effettuata variando la durata o la temperatura della sintesi.

La capacità di mettere a punto il bandgap rende desiderabili i punti quantici per le celle solari. Implementazioni a giunzione singola utilizzando punti quantici colloidali di piombo solfuro (PbS) (CQD) hanno bande di accumulo che possono essere sintonizzate nel lontano infrarosso, frequenze che sono tipicamente difficili da ottenere con le celle solari tradizionali. La metà dell’energia solare che raggiunge la Terra è nell’infrarosso, la maggior parte nella regione dell’infrarosso vicino. Una cella solare a punti quantici rende l’energia a infrarossi accessibile come qualsiasi altra.

Inoltre, CQD offre una facile sintesi e preparazione. Mentre sono sospesi in una forma di liquido colloidale, possono essere facilmente maneggiati durante la produzione, con un vaporizzatore come l’attrezzatura più complessa necessaria. I CQD sono tipicamente sintetizzati in piccoli lotti, ma possono essere prodotti in serie. I punti possono essere distribuiti su un substrato mediante rivestimento a rotazione, a mano o in un processo automatizzato. La produzione su larga scala potrebbe utilizzare sistemi spray-on o roll-printing, riducendo drasticamente i costi di costruzione dei moduli.

Produzione
I primi esempi utilizzavano costosi processi epitassiali a raggio molecolare. Tuttavia, il disallineamento del reticolo determina accumulo di deformazione e quindi generazione di difetti, limitando il numero di strati sovrapposti. La tecnica di crescita epitassica a gocce mostra i suoi vantaggi nella fabbricazione di QD privi di strain. In alternativa, sono stati successivamente sviluppati metodi di fabbricazione meno costosi. Questi usano la chimica umida (per CQD) e la successiva elaborazione della soluzione. Le soluzioni concentrate di nanoparticelle sono stabilizzate da lunghi leganti di idrocarburi che mantengono sospeso i nanocristalli in soluzione.

Per creare un solido, queste soluzioni vengono scartate [chiarimento necessario] e i leganti stabilizzanti lunghi vengono sostituiti con reticolanti a catena corta. L’ingegneria chimica della superficie di nanocristalli può meglio passivare i nanocristalli e ridurre gli stati di trappola nocivi che potrebbero ridurre le prestazioni del dispositivo mediante ricombinazione del portatore. [Chiarimento necessario] Questo approccio produce un’efficienza del 7,0%.

Uno studio più recente utilizza diversi ligandi per funzioni diverse sintonizzando il relativo allineamento di banda per migliorare le prestazioni all’8,6%. Le cellule sono state trattate in soluzione in aria a temperatura ambiente e hanno mostrato stabilità all’aria per più di 150 giorni senza incapsulamento.

Nel 2014 è stato introdotto l’uso di ioduro come legante che non si lega all’ossigeno. Ciò mantiene stabili livelli di tipo N e p, aumentando l’efficienza di assorbimento, che ha prodotto un rendimento di conversione della potenza fino all’8%.

Storia
L’idea di usare i punti quantici come percorso verso l’alta efficienza fu notata per la prima volta da Burnham e Duggan nel 1990. All’epoca, la scienza dei punti quantici, o “pozzi” come erano conosciuti, era nella sua infanzia e i primi esempi erano solo diventando disponibile.

Sforzi DSSC
Un altro modello di cella moderno è la cella solare sensibilizzata al colore, o DSSC. I DSSC usano uno strato di TiO simile alla spugna
2 come valvola a semiconduttore e struttura meccanica di supporto. Durante la costruzione, la spugna viene riempita con un colorante organico, tipicamente rutenio-polipiridina, che inietta elettroni nel diossido di titanio su fotoeccitazione. Questo colorante è relativamente costoso e il rutenio è un metallo raro.

L’utilizzo di punti quantici come alternativa ai coloranti molecolari è stato preso in considerazione fin dai primi giorni di ricerca DSSC. La capacità di mettere a punto la banda proibita ha consentito al progettista di selezionare una più ampia varietà di materiali per altre porzioni della cella. Gruppi collaborativi dell’Università di Toronto e École Polytechnique Fédérale de Lausanne hanno sviluppato un progetto basato su un elettrodo posteriore direttamente a contatto con un film di punti quantici, eliminando l’elettrolito e formando una eterogiunzione esaurita. Queste celle hanno raggiunto un’efficienza del 7,0%, migliore dei migliori dispositivi DSSC a stato solido, ma inferiori a quelle basate su elettroliti liquidi.

Multigiunzione
Il tellururo di cadmio (CdTe) è utilizzato per le cellule che assorbono più frequenze. Una sospensione colloidale di questi cristalli viene fuso su un substrato come un vetrino sottile, inserito in un polimero conduttivo. Queste celle non utilizzavano punti quantici, ma caratteristiche condivise con loro, come spin-casting e l’uso di un conduttore a film sottile. A basse scale di produzione i punti quantici sono più costosi dei nanocristalli prodotti in serie, ma il cadmio e il tellururo sono metalli rari e altamente tossici soggetti a oscillazioni dei prezzi.

Il gruppo Sargent [chi?] Usò il solfuro di piombo come donatore di elettroni sensibili agli infrarossi per produrre celle solari a raggi infrarossi ad efficienza record. Spin-casting può consentire la costruzione di celle “tandem” a costi notevolmente ridotti. Le celle originali utilizzavano un substrato dorato come elettrodo, sebbene il nickel funzioni altrettanto bene.

Acquisizione hot-carrier
Un altro modo per migliorare l’efficienza è quello di catturare l’energia extra nell’elettrone emesso da un materiale a singola banda proibita. Nei materiali tradizionali come il silicio, la distanza dal sito di emissione all’elettrodo in cui vengono raccolti è troppo lontana per consentire che ciò accada; l’elettrone subirà molte interazioni con i materiali e il reticolo cristallino, rinunciando a questa energia extra come calore. Il silicio amorfo a film sottile è stato provato come alternativa, ma i difetti intrinseci a questi materiali hanno travolto il loro potenziale vantaggio. Le moderne celle a film sottile rimangono generalmente meno efficienti del silicio tradizionale.

I donatori nanostrutturati possono essere espressi come film uniformi che evitano i problemi con i difetti. Questi sarebbero soggetti ad altre questioni inerenti ai punti quantici, in particolare problemi di resistività e ritenzione di calore.

Eccitoni multipli
Nel 2004, il laboratorio nazionale di Los Alamos riportò prove spettroscopiche che diversi eccitoni potevano essere generati efficientemente dopo l’assorbimento di un singolo fotone energetico in un punto quantico. Catturarli catturerebbe più energia alla luce del sole. In questo approccio, noto come “moltiplicazione della portante” (CM) o “generazione di eccitoni multipli” (MEG), il punto quantico è sintonizzato per rilasciare più coppie di elettroni-fori a un’energia inferiore invece di una coppia ad alta energia. Ciò aumenta l’efficienza attraverso l’aumento della fotocorrente. I punti di LANL erano fatti di seleniuro di piombo.

Nel 2010, l’Università del Wyoming ha dimostrato prestazioni simili utilizzando cellule DCCS. I punti di piombo-zolfo (PbS) hanno dimostrato l’espulsione di due elettroni quando i fotoni in ingresso avevano circa tre volte l’energia bandgap.

Nel 2005, NREL ha dimostrato il MEG in punti quantici, producendo tre elettroni per fotone e un’efficienza teorica del 65%. Nel 2007, hanno raggiunto un risultato simile nel silicio.

Non ossidante
Nel 2014 un gruppo dell’Università di Toronto ha prodotto e dimostrato un tipo di cellula di tipo N CQD utilizzando PbS con un trattamento speciale in modo che non si leghi con l’ossigeno. La cella ha raggiunto un’efficienza dell’8%, solo per timore dell’attuale record di efficienza QD. Tali cellule creano la possibilità di cellule “spray-on” non rivestite. Tuttavia, questi CQD di tipo n stabili all’aria sono stati effettivamente fabbricati in un ambiente privo di ossigeno.

Sempre nel 2014, un altro gruppo di ricerca del MIT ha dimostrato celle solari ZnO / PbS stabili all’aria e prodotte in aria e ha ottenuto un’efficienza record dell’8,55% (9,2% in laboratorio) perché assorbivano bene la luce, trasportando anche la carica ai collettori a il bordo della cella. Queste celle mostrano una stabilità dell’aria senza precedenti per le celle solari a punti quantici che le prestazioni sono rimaste invariate per oltre 150 giorni di stoccaggio in aria.