Uma célula solar de ponto quântico (QDSC) é um projeto de célula solar que usa pontos quânticos como material fotovoltaico absorvente. Ele tenta substituir materiais a granel, como silício, seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) ou CdTe. Os pontos quânticos têm bandgaps que são ajustáveis ​​através de uma ampla gama de níveis de energia, alterando seu tamanho. Em materiais a granel, o bandgap é fixado pela escolha de material (s). Esta propriedade torna os pontos quânticos atrativos para as células solares multi-junções, onde uma variedade de materiais é usada para melhorar a eficiência através da colheita de múltiplas porções do espectro solar.

A partir de 2016, a eficiência é superior a 10%.

fundo

Conceitos de células solares
Em uma célula solar convencional, a luz é absorvida por um semicondutor, produzindo um par de elétrons (eh); o par pode ser ligado e é referido como um exciton. Este par é separado por um campo elétrico interno (presente em junções pn ou diodos Schottky) e o fluxo resultante de elétrons e buracos cria corrente elétrica. O campo elétrico interno é criado pela dopagem de uma parte da interface semicondutora com átomos que atuam como doadores de elétrons (dopagem tipo n) e outro com aceptores de elétrons (dopagem tipo p) que resulta em uma junção pn. A geração de um par eh requer que os fótons tenham energia que exceda o bandgap do material. Efetivamente, fótons com energias menores que o bandgap não são absorvidos, enquanto aqueles que são mais altos podem rapidamente (dentro de 10 a 13 s) ter um término para as bordas da banda, reduzindo a saída. A primeira limitação reduz a corrente, enquanto a termização reduz a tensão. Como resultado, as células semicondutoras sofrem um trade-off entre tensão e corrente (que pode ser em parte aliviada usando múltiplas implementações de junção). O cálculo detalhado do balanço mostra que essa eficiência não pode exceder 31% se usarmos um único material para uma célula solar.

A análise numérica mostra que a eficiência de 31% é obtida com um bandgap de 1,3-1,4 eV, correspondendo à luz no espectro do infravermelho próximo. Esse gap de banda é próximo ao do silício (1,1 eV), uma das muitas razões pelas quais o silício domina o mercado. No entanto, a eficiência do silício está limitada a cerca de 29%. É possível melhorar uma célula de junção única empilhando verticalmente células com bandgaps diferentes – denominada abordagem em “tandem” ou “multi-junction”. A mesma análise mostra que uma célula de duas camadas deve ter uma camada sintonizada para 1,64 eV e a outra para 0,94 eV, proporcionando um desempenho teórico de 44%. Uma célula de três camadas deve ser ajustada para 1,83, 1,16 e 0,71 eV, com uma eficiência de 48%. Uma célula de “camada infinita” teria uma eficiência teórica de 86%, com outros mecanismos de perda termodinâmica respondendo pelo resto.

Os métodos tradicionais de preparação de silício (cristalino) não se prestam a essa abordagem devido à falta de capacidade de ajuste do bandgap. Filmes finos de silício amorfo, que devido a uma necessidade relaxada na preservação do momento de cristal podem alcançar bandgaps diretos e mistura de carbono, podem ajustar o bandgap, mas outros problemas impediram que eles correspondessem ao desempenho das células tradicionais. A maioria das estruturas de células em tandem é baseada em semicondutores de alto desempenho, especialmente o arsenieto de índio-gálio (InGaAs). Células InGaAs / GaAs / InGaP de três camadas (bandgaps 0,94 / 1,42 / 1,89 eV) mantêm o registro de eficiência de 42,3% para exemplos experimentais.

No entanto, os QDSCs sofrem de fraca absorção e a contribuição da absorção de luz à temperatura ambiente é marginal. Isso pode ser resolvido utilizando-se nanostars de Au multibranched.

Pontos quânticos
Os pontos quânticos são partículas semicondutoras que foram reduzidas abaixo do tamanho do raio de Exciton Bohr e, devido às considerações da mecânica quântica, as energias eletrônicas que podem existir dentro delas tornam-se energias finitas e parecidas em um átomo. Pontos quânticos foram referidos como “átomos artificiais”. Esses níveis de energia são ajustáveis, alterando seu tamanho, o que, por sua vez, define o bandgap. Os pontos podem ser cultivados em vários tamanhos, permitindo que eles expressem uma variedade de bandgaps sem alterar o material subjacente ou as técnicas de construção. Em preparações típicas de química úmida, a sintonia é realizada variando a duração da síntese ou a temperatura.

A capacidade de ajustar o bandgap torna os pontos quânticos desejáveis ​​para as células solares. Implementações de junção única usando pontos quânticos coloidais de sulfeto de chumbo (PbS) têm bandgaps que podem ser sintonizados no infravermelho distante, freqüências que são tipicamente difíceis de alcançar com células solares tradicionais. Metade da energia solar que chega à Terra está no infravermelho, a maioria na região do infravermelho próximo. Uma célula solar de ponto quântico torna a energia infravermelha tão acessível quanto qualquer outra.

Além disso, o CQD oferece fácil síntese e preparação. Enquanto suspensos em uma forma líquida coloidal, eles podem ser facilmente manuseados durante toda a produção, com uma lavoura como o equipamento mais complexo necessário. Os CQD são tipicamente sintetizados em pequenos lotes, mas podem ser produzidos em massa. Os pontos podem ser distribuídos em um substrato por rotação, seja manualmente ou em um processo automatizado. A produção em larga escala pode usar sistemas de spray ou de impressão em rolo, reduzindo drasticamente os custos de construção do módulo.

Produção
Os primeiros exemplos usaram processos epitaxiais de feixe molecular dispendiosos. No entanto, a incompatibilidade de rede resulta em acúmulo de tensão e, portanto, geração de defeitos, restringindo o número de camadas empilhadas. A técnica de crescimento epitaxico de gotículas mostra suas vantagens na fabricação de QDs livres de tensão. Alternativamente, métodos de fabricação menos dispendiosos foram posteriormente desenvolvidos. Eles usam química úmida (para CQD) e processamento subseqüente de solução. Soluções concentradas de nanopartículas são estabilizadas por longos ligantes de hidrocarbonetos que mantêm os nanocristais suspensos em solução.

Para criar um sólido, estas soluções são eliminadas [necessitando de clarificação] e os ligantes estabilizadores longos são substituídos por reticuladores de cadeia curta. A engenharia química da superfície do nanocristal pode passivar melhor os nanocristais e reduzir os estados de armadilhas prejudiciais que reduziriam o desempenho do dispositivo por meio da recombinação da transportadora. [Esclarecimento necessário] Essa abordagem produz uma eficiência de 7,0%.

Um estudo mais recente usa ligantes diferentes para diferentes funções, ajustando seu alinhamento de bandas relativo para melhorar o desempenho para 8,6%. As células foram processadas em solução em ar à temperatura ambiente e exibiram estabilidade ao ar por mais de 150 dias sem encapsulação.

Em 2014, o uso de iodeto como um ligante que não se liga ao oxigênio foi introduzido. Isso mantém as camadas do tipo n e p estáveis, aumentando a eficiência de absorção, o que produziu uma eficiência de conversão de energia de até 8%.

História
A ideia de usar pontos quânticos como um caminho para alta eficiência foi notada pela primeira vez por Burnham e Duggan em 1990. Na época, a ciência dos pontos quânticos, ou “poços” como eram conhecidos, estava em sua infância e os primeiros exemplos eram apenas tornando-se disponível.

Esforços de DSSC
Outro design moderno de célula é a célula solar sensibilizada por corante, ou DSSC. DSSCs usam uma camada esponjosa de TiO
2 como a válvula semicondutora, bem como uma estrutura de suporte mecânico. Durante a construção, a esponja é preenchida com um corante orgânico, tipicamente rutênio-polipiridina, que injeta elétrons no dióxido de titânio durante a fotoexcitação. Esse corante é relativamente caro e o rutênio é um metal raro.

A utilização de pontos quânticos como uma alternativa aos corantes moleculares foi considerada desde os primeiros dias da pesquisa DSSC. A capacidade de ajustar o bandgap permitiu ao designer selecionar uma variedade maior de materiais para outras partes da célula. Grupos colaboradores da Universidade de Toronto e da École Polytechnique Fédérale de Lausanne desenvolveram um projeto baseado em um eletrodo traseiro diretamente em contato com um filme de pontos quânticos, eliminando o eletrólito e formando uma heterojunção empobrecida. Essas células atingiram 7,0% de eficiência, melhor que os melhores dispositivos DSSC de estado sólido, mas abaixo daquelas baseadas em eletrólitos líquidos.

Multi-junção
Telureto de cádmio (CdTe) é usado para células que absorvem freqüências múltiplas. Uma suspensão coloidal destes cristais é moldada por rotação num substrato tal como uma fina lâmina de vidro, colocada num polímero condutor. Essas células não usavam pontos quânticos, mas compartilhavam características com elas, como fundição por rotação e o uso de um condutor de filme fino. Em escalas de baixa produção, os pontos quânticos são mais caros que os nanocristais produzidos em massa, mas o cádmio e o telureto são metais raros e altamente tóxicos, sujeitos a oscilações de preço.

O Grupo Sargent [quem?] Usou sulfeto de chumbo como um doador de elétrons sensível ao infravermelho para produzir então células solares de eficiência recorde. O spin-casting pode permitir a construção de células “tandem” a um custo bastante reduzido. As células originais usavam um substrato de ouro como eletrodo, embora o níquel também funcionasse.

Captura de transportadora a quente
Outra maneira de melhorar a eficiência é capturar a energia extra no elétron quando emitida a partir de um material de banda única. Em materiais tradicionais como o silício, a distância do local de emissão ao eletrodo onde eles são colhidos é muito distante para permitir que isso ocorra; o elétron sofrerá muitas interações com os materiais cristalinos e a treliça, abrindo mão dessa energia extra como calor. O silício amorfo de filme fino foi tentado como uma alternativa, mas os defeitos inerentes a esses materiais sobrecarregaram sua vantagem potencial. Células de filme fino modernas geralmente são menos eficientes que o silício tradicional.

Doadores nanoestruturados podem ser moldados como filmes uniformes que evitam os problemas com defeitos. Estes seriam sujeitos a outras questões inerentes aos pontos quânticos, notadamente os problemas de resistividade e retenção de calor.

Múltiplos excitons
Em 2004, o Laboratório Nacional Los Alamos informou evidências espectroscópicas de que vários excitons poderiam ser gerados eficientemente após a absorção de um único fóton energético em um ponto quântico. Capturá-los captaria mais energia do sol. Nessa abordagem, conhecida como “multiplicação de portadora” (CM) ou “geração de múltiplos excitons” (MEG), o ponto quântico é sintonizado para liberar múltiplos pares de elétrons com uma energia menor em vez de um par de alta energia. Isso aumenta a eficiência através do aumento da fotocorrente. Os pontos de LANL foram feitos de seleneto de chumbo.

Em 2010, a Universidade de Wyoming demonstrou desempenho similar usando células DCCS. Os pontos de chumbo-enxofre (PbS) demonstraram a ejeção de dois elétrons quando os fótons que chegavam tinham cerca de três vezes a energia do bandgap.

Em 2005, o NREL demonstrou MEG em pontos quânticos, produzindo três elétrons por fóton e uma eficiência teórica de 65%. Em 2007, eles alcançaram um resultado similar em silício.

Não-oxidante
Em 2014, um grupo da Universidade de Toronto fabricou e demonstrou um tipo de célula tipo CQD usando PbS com tratamento especial para que não se ligasse ao oxigênio. A célula alcançou 8% de eficiência, pouco abaixo do atual registro de eficiência de QD. Essas células criam a possibilidade de células “spray-on” não revestidas. No entanto, estes CQD do tipo n estáveis ​​ao ar foram fabricados em um ambiente livre de oxigênio.

Também em 2014, outro grupo de pesquisa do MIT demonstrou células solares ZnO / PbS estáveis ​​ao ar que foram fabricadas no ar e atingiram uma eficiência recorde certificada de 8,55% (9,2% em laboratório) porque absorveram bem a luz, enquanto também transportavam cargas para coletores. a borda da célula. Estas células mostram uma estabilidade de ar sem precedentes para células solares de ponto quântico, que o desempenho permaneceu inalterado por mais de 150 dias de armazenamento no ar.