量子ドット太陽電池

量子ドット太陽電池(QDSC)は、吸収型光起電力材料として量子ドットを使用する太陽電池設計である。 それは、シリコン、銅インジウムガリウムセレン化物(CIGS)またはCdTeのようなバルク材料を置き換えることを試みている。 量子ドットは、そのサイズを変化させることによって、広範囲のエネルギーレベルにわたって調整可能なバンドギャップを有する。 バルク材料では、バンドギャップは材料の選択によって固定されます。 この特性は、太陽スペクトルの複数の部分を収穫することによって効率を改善するために様々な材料が使用される、多接合太陽電池に対して量子ドットを魅力的にする。

2016年時点で効率は10%を超えています。

バックグラウンド

太陽電池のコンセプト
従来の太陽電池では、光は半導体によって吸収され、電子 – ホール(e-h)対を生成する。 対は結合され、励起子と呼ばれる。 この対は、内部電場(pn接合またはショットキーダイオードに存在する)によって分離され、結果として生じる電子および正孔の流れは電流を生成する。 内部電場は、半導体界面の一部に電子供与体(n型ドーピング)として働く原子と、pn接合をもたらす電子受容体(p型ドーピング)とを有するドーパントによって形成される。 エッチペアの生成は、光子が材料のバンドギャップを超えるエネルギーを有することを必要とする。 効果的に、バンドギャップよりも低いエネルギーの光子は吸収されず、より高いものはバンドエッジに素早く(約10-13秒以内に)熱化して出力を低下させることができる。 前者の制限は電流を減少させ、一方、熱化は電圧を減少させる。 その結果、半導体セルは、電圧と電流との間のトレードオフを受ける(これは、多重接合実装を使用することによって部分的に緩和され得る)。 詳細なバランス計算では、太陽電池用に単一の材料を使用する場合、この効率は31%を超えることはできません。

数値解析は、31%の効率が近赤外スペクトルの光に対応する1.3-1.4eVのバンドギャップで達成されることを示している。 このバンドギャップはシリコン(1.1eV)に近く、シリコンが市場を支配する多くの理由の1つです。 しかし、シリコンの効率は約29%に制限されています。 「タンデム」または「マルチジャンクション」アプローチと呼ばれる、異なるバンドギャップを有するセルを垂直に積み重ねることによって、単一接合セルを改善することが可能である。 同じ分析は、2層セルが1.64eVに調整された1つの層と、0.94eVに調整された1つの層を有するべきであることを示し、44%の理論的性能を提供する。 3層セルは、48%の効率で1.83,1.16および0.71eVに調整する必要があります。 「無限層」セルの理論効率は86%であり、他の熱力学的損失メカニズムが残りのセルを占める。

伝統的な(結晶性の)シリコン製造方法は、バンドギャップチューナビリティの欠如のためにこのアプローチに役立たない。 結晶の運動量保存における緩和された要求のために、直接的なバンドギャップおよびカーボンの混合を達成することができるアモルファスシリコンの薄膜は、バンドギャップを調整することができるが、他の問題により、これらが従来のセルの性能にマッチすることが妨げられている。 ほとんどのタンデムセル構造は、高性能半導体、特にインジウムガリウム砒素(InGaAs)に基づいている。 3層のInGaAs / GaAs / InGaPセル(バンドギャップ0.94 / 1.42 / 1.89eV)は実験例で42.3%の効率記録を保持しています。

しかし、QDSCは弱い吸収を受け、室温での光吸収の寄与は小さい。 これは、多分岐Auナノスターを利用することによって対処することができる。

量子ドット
量子ドットは、エキシトンボーア半径のサイズよりも小さくなった半導体粒子であり、量子力学的考察のために、それらの中に存在し得る電子エネルギーは、原子中の有限のほぼ同じエネルギーとなる。 量子ドットは「人工原子」と呼ばれている。 これらのエネルギーレベルは、サイズを変更することによって調整可能であり、バンドギャップを規定する。 ドットは、ある範囲のサイズにわたって成長することができ、基礎となる材料または構成技術を変更することなく、様々なバンドギャップを表現することができる。 典型的な湿式化学調製物では、調整は、合成期間または温度を変化させることによって達成される。

バンドギャップを調整する能力は、量子ドットを太陽電池に望ましいものにする。 硫化鉛(PbS)コロイド量子ドット(CQD)を使用する単一接合の実施形態は、従来の太陽電池では達成することが困難な遠赤外線周波数に同調できるバンドギャップを有する。 地球に到達する太陽​​エネルギーの半分は赤外線にあり、ほとんどが近赤外領域にあります。 量子ドット太陽電池は、赤外線エネルギーを他のものほどアクセス可能にする。

さらに、CQDは容易な合成および調製を提供する。 コロイド状の液体の形で懸濁されている間は、最も複雑な装置が必要となりますので、生産中は容易に処理できます。 CQDは、典型的には小さなバッチで合成されるが、大量生産することができる。 ドットは、手動または自動プロセスのいずれかで、スピンコーティングによって基板上に分布させることができる。 大規模生産では、スプレーオンまたはロール印刷システムを使用して、モジュール建設コストを大幅に削減できます。

製造
初期の例は高価な分子線エピタキシープロセスを用いた。 しかし、格子不整合は歪みの蓄積をもたらし、欠陥の発生をもたらし、積層数を制限する。 液滴エピタキシー成長技術は、無歪QDの製造にその利点を示す。 あるいは、安価な製造方法が後に開発された。 これらは湿式化学(CQDの場合)およびその後の溶液処理を使用する。 濃縮されたナノ粒子溶液は、ナノ結晶を溶液中に懸濁させた長い炭化水素リガンドによって安定化される。

固体を生成するために、これらの溶液は[明確化が必要]でキャストされ、長い安定化リガンドは短鎖の架橋剤に置き換えられる。 ナノクリスタル表面を化学的に工学することにより、ナノクリスタルをより不動態化することができ、キャリア再結合によってデバイスの性能を低下させる有害なトラップ状態を低減することができる。

より最近の研究では、性能を8.6%に改善するために相対バンドアライメントを調整することによって、異なる機能に対して異なるリガンドを使用しています。 細胞は室温で空気中で溶液処理され、封入なしで150日間以上の空気安定性を示した。

2014年には、酸素に結合しない配位子としてのヨウ化物の使用が導入された。 これにより、安定したn型およびp型層が維持され、吸収効率が向上し、最大8%の電力変換効率が得られました。

歴史
高効率への道として量子ドットを使用するという考えは、1990年にBurnhamとDugganによって最初に指摘されました。当時、量子ドットの科学、すなわちそれらが知られていた “井戸”は初期の段階でした。利用可能になった。

DSSCの取り組み
別の現代のセル設計は、色素増感型太陽電池、すなわちDSSCである。 DSSCは、スポンジ状のTiO層
2を機械的支持構造と同様に半導体バルブとして使用する。 構築中、スポンジは有機色素、典型的には光励起により二酸化チタンに電子を注入するルテニウム – ポリピリジンで満たされる。 この染料は比較的高価であり、ルテニウムは希少金属である。

DSSC研究の初期から分子色素の代替として量子ドットを使用することが検討された。 バンドギャップを調整する能力により、設計者はセルの他の部分の材料をより多様に選択することができました。 トロント大学とÉcolePolytechniqueFédéralede Lausanneの共同研究グループは、電解質を除去して空乏化したヘテロ接合を形成する、量子ドットの膜と直接接触する背面電極に基づく設計を開発した。 これらのセルは、最高の固体DSSCデバイスよりも優れているが、液体電解質に基づくものよりも低い7.0%の効率に達した。

マルチジャンクション
複数の周波数を吸収するセルには、テルル化カドミウム(CdTe)が使用されています。 これらの結晶のコロイド状懸濁液を、導電性ポリマーにポッティングした薄いガラススライドなどの基板上にスピンキャストする。 これらのセルは、量子ドットを使用せず、スピンキャスティングや薄膜導体の使用などの機能を共有していました。 低生産規模では、量子ドットは量産ナノ結晶よりも高価ですが、カドミウムとテルルライドは希少で毒性が高く、価格変動の影響を受けます。

サージェントグループは、赤外線感受性電子供与体として硫化鉛を使用して、記録効率の高い赤外線太陽電池を製造しました。 スピンキャスティングは、大幅に削減されたコストで「タンデム」セルの構築を可能にすることができる。 元のセルは金の基板を電極として使用しましたが、ニッケルは同様に機能します。

ホットキャリア捕捉
効率を改善する別の方法は、単一バンドギャップ材料から放出されたときに電子中の余分なエネルギーを捕獲することである。 シリコンのような伝統的な材料では、放出場所から収穫される電極までの距離は、これが起こるにはあまりにも遠すぎる。 電子は結晶材料および格子との多くの相互作用を受け、熱としてこの余分なエネルギーを放棄する。 代替としてアモルファス薄膜シリコンが試されたが、これらの材料に固有の欠陥が潜在的な利点を圧倒した。 現代の薄膜電池は、一般に、従来のシリコンよりも効率が低い。

ナノ構造ドナーは、欠陥の問題を回避する均一な膜として鋳造することができる。 これらは、量子ドット特有の他の問題、特に抵抗率の問題および熱の保持の対象となる。

複数の励起子
2004年、ロスアラモス国立研究所は、単一のエネルギーの高い光子を量子ドットに吸収させると、効率的にいくつかの励起子を生成できるという分光学的な証拠を報告しました。 それらを捕らえることは、日光の中でより多くのエネルギーを奪うでしょう。 このアプローチでは、 “キャリア増倍(CM)”または “多重励起子生成(MEG)”として知られている量子ドットは、高エネルギーで1対ではなく、より低いエネルギーで複数の電子 – 正孔対を放出するように調整される。 これにより、光電流が増加して効率が向上します。 LANLのドットはセレン化鉛から作られていました。

2010年、ワイオミング大学はDCCSセルを使用して同様の性能を実証しました。 入射光子がバンドギャップエネルギーの約3倍を有するとき、鉛 – 硫黄(PbS)ドットは2電子放出を示した。

2005年、NRELは量子ドットでMEGを実証し、光子あたり3電子、理論効率65%を生成しました。 2007年には、シリコンでも同様の結果が得られました。

非酸化性
2014年にトロント大学では、酸素と結合しないように特別な処理をしたPbSを使用したタイプのCQD n型セルを製造し実証しました。 セルは8%の効率を達成しました。これは現在のQD効率の記録にぴったりです。 そのような細胞は、コーティングされていない「スプレーオン」細胞の可能性を生じる。 しかしながら、これらの空気に安定なn型CQDは、実際に無酸素環境で製造されていた。

また、2014年には、MITの別の研究グループが空気中で製造され、光をよく吸収し、コレクタに電荷を輸送するため、8.55%の記録効率(実験室では9.2%)を達成した空気安定性のZnO / PbS太陽電池を実証しました。セルの端。 これらのセルは、量子ドット太陽電池の空気安定性がこれまでにないことを示しており、空気中での150日間以上の保存でも性能は変化しませんでした。