Солнечная ячейка с квантовыми точками (QDSC) представляет собой конструкцию солнечных элементов, которая использует квантовые точки в качестве поглощающего фотовольтаического материала. Он пытается заменить сыпучие материалы, такие как кремний, селенид галлия меди (CIGS) или CdTe. Квантовые точки имеют зазоров, которые можно перестраивать в широком диапазоне уровней энергии, изменяя их размер. В сыпучих материалах запрещенная зона фиксируется выбором материала (материалов). Это свойство делает квантовые точки привлекательными для многосоставных солнечных элементов, где для повышения эффективности используются различные материалы, которые собирают несколько частей солнечного спектра.

По состоянию на 2016 год эффективность превышает 10%.

Задний план

Концепции солнечных элементов
В обычном солнечном элементе свет поглощается полупроводником, создавая электронно-дырочную (eh) пару; пара может быть связана и называется экситоном. Эта пара разделяется внутренним электрическим полем (присутствующим в pn-переходах или диодами Шоттки), и результирующий поток электронов и дырок создает электрический ток. Внутреннее электрическое поле создается путем легирования одной части полупроводникового интерфейса атомами, которые действуют как доноры электронов (легирование n-типа), а другое — электронными акцепторами (легирование р-типа), что приводит к pn-переходу. Генерация пары eh требует, чтобы фотоны имели энергию, превышающую запрещенную зону материала. Эффективно фотоны с энергией ниже запрещенной зоны не поглощаются, а те, которые выше, могут быстро (в течение примерно 10-13 с) термализоваться к краям полосы, уменьшая выход. Первое ограничение уменьшает ток, а термализация снижает напряжение. В результате полупроводниковые ячейки испытывают компромисс между напряжением и током (который можно частично смягчить, используя различные реализации переходов). Расчет детального баланса показывает, что эта эффективность не может превышать 31%, если использовать один материал для солнечного элемента.

Численный анализ показывает, что эффективность 31% достигается с запрещенной зоной 1,3-1,4 эВ, соответствующей свету в ближнем инфракрасном спектре. Эта полоса частот близка к ширине кремния (1,1 эВ), что является одной из многих причин, по которым кремний доминирует на рынке. Однако эффективность кремния ограничена примерно 29%. Можно улучшить на ячейке с одним соединением путем вертикальной укладки ячеек с различными запрещенными зонами, что называется «тандемным» или «многоразрядным» подходом. Тот же анализ показывает, что двухслойная ячейка должна иметь один уровень, настроенный на 1,64 эВ, а другой до 0,94 эВ, обеспечивая теоретическую производительность 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с КПД 48%. У «бесконечнослойной» ячейки теоретическая эффективность составила бы 86%, а остальные термодинамические механизмы потерь учитывали бы остальные.

Традиционные (кристаллические) методы подготовки кремния не поддаются этому подходу из-за отсутствия пересоединения запрещенной зоны. Тонкие пленки аморфного кремния, которые благодаря расслабленному требованию сохранения кристаллов могут достигать прямых запрещенных зон и смешения углерода, могут настраивать запрещенную зону, но другие проблемы не позволяют им соответствовать характеристикам традиционных ячеек. Большинство тандем-клеточных структур основаны на более высокопроизводительных полупроводниках, в частности на арсениде индия галлия (InGaAs). Для экспериментальных примеров показатели эффективности трехслойных InGaAs / GaAs / InGaP (запрещенные полосы 0,94 / 1,42 / 1,89 эВ) подтверждают эффективность записи 42,3%.

Однако QDSC страдают от слабой абсорбции, а вклад поглощения света при комнатной температуре является маргинальным. Это можно решить, используя многоканальные Au-наностеры.

Квантовые точки
Квантовые точки — это полупроводниковые частицы, которые были уменьшены ниже размера радиуса экситон-бора и из-за соображений квантовой механики энергии электронов, которые могут существовать внутри них, становятся конечными, почти одинаковыми энергиями в атоме. Квантовые точки называются «искусственными атомами». Эти уровни энергии настраиваются путем изменения их размера, что в свою очередь определяет запрещенную зону. Точки можно выращивать на различных размерах, что позволяет им выражать множество запрещенных зон без изменения основного материала или методов строительства. В типичных препаратах для влажной химии тюнинг выполняется путем изменения продолжительности синтеза или температуры.

Возможность настройки запрещенной зоны делает квантовые точки желательными для солнечных элементов. В реализациях с одним соединением с использованием коллоидных квантовых точек с сульфидом свинца (PbS) коллоидные квантовые точки (CQD) имеют запрещенные зоны, которые могут быть настроены на дальнюю инфракрасную область, частоты, которые обычно трудно достичь с помощью традиционных солнечных элементов. Половина солнечной энергии, достигающей Земли, находится в инфракрасной области, большей частью в ближней инфракрасной области. Солнечная батарея с квантовыми точками делает инфракрасную энергию доступной, как любая другая.

Кроме того, CQD предлагает легкий синтез и подготовку. Хотя они суспендированы в коллоидной жидкой форме, их можно легко обрабатывать на протяжении всего производства, причем дымность является самым сложным оборудованием. CQD обычно синтезируются небольшими партиями, но могут быть массовыми. Точки могут быть распределены на подложке с помощью спинового покрытия либо вручную, либо в автоматизированном процессе. Крупномасштабное производство может использовать системы распыления или рулонной печати, что значительно снижает затраты на строительство модулей.

производство
Ранние примеры использовали дорогостоящие процессы молекулярной пучковой эпитаксии. Однако несоответствие решетки приводит к накоплению деформации и, следовательно, к образованию дефектов, ограничивая количество штабелированных слоев. Технология роста капельной эпитаксии демонстрирует свои преимущества при изготовлении бесконтактных КТ. В качестве альтернативы позднее были разработаны менее дорогостоящие методы изготовления. Они используют влажную химию (для CQD) и последующую обработку раствора. Концентрированные растворы наночастиц стабилизируются длинными углеводородными лигандами, которые удерживают нанокристаллы, взвешенные в растворе.

Чтобы создать твердое вещество, эти растворы удаляются (необходимы разъяснения), а длинные стабилизирующие лиганды заменяются короткоцепочечными сшивающими агентами. Химическая инженерия поверхности нанокристалла может лучше пассивировать нанокристаллы и уменьшить загрязняющие состояния ловушки, что приведет к ограничению производительности устройства с помощью рекомбинации носителей. [Необходимость пояснения] Этот подход дает эффективность 7,0%.

В более позднем исследовании используются разные лиганды для различных функций путем настройки их относительного выравнивания полосы для повышения производительности до 8,6%. Клетки обрабатывали раствором на воздухе при комнатной температуре и выдерживали стабильность воздуха в течение более 150 дней без инкапсуляции.

В 2014 году было введено использование йодида в качестве лиганда, не связанного с кислородом. Это поддерживает стабильные слои n- и p-типа, что повышает эффективность поглощения, что обеспечивает эффективность преобразования энергии до 8%.

история
Идея использования квантовых точек как путь к высокой эффективности была впервые отмечена Бернем и Дагганом в 1990 году. В то время наука о квантовых точках или «колодцах», как они были известны, находилась в зачаточном состоянии, а ранние примеры были просто становится доступным.

Усилия DSSC
Еще одна современная конструкция ячейки — солнечный элемент, чувствительный к красителю, или DSSC. DSSC используют губчатый слой TiO
2 в качестве полупроводникового клапана, а также механической опорной конструкции. Во время строительства губка заполнена органическим красителем, обычно рутениевым полипиридином, который вводит электроны в диоксид титана при фотовозбуждении. Этот краситель относительно дорог, а рутений — редкий металл.

Использование квантовых точек в качестве альтернативы молекулярным красителям рассматривалось с самых ранних дней исследований DSSC. Возможность настройки запрещенной зоны позволила дизайнеру выбрать более широкий спектр материалов для других частей ячейки. Сотрудничающие группы из Университета Торонто и Политехнической школы Лозанны разработали конструкцию, основанную на заднем электроде, непосредственно находящемся в контакте с пленкой квантовых точек, устраняя электролит и образуя обедненный гетеропереход. Эти ячейки достигли 7,0% эффективности, лучше лучших твердотельных устройств DSSC, но ниже тех, которые основаны на жидких электролитах.

Мульти-переход
Калдим теллурид (CdTe) используется для клеток, которые поглощают несколько частот. Коллоидную суспензию этих кристаллов отливают спиртом на подложку, такую ​​как тонкий стеклянный предмет, помещенный в проводящий полимер. Эти клетки не использовали квантовые точки, а делились с ними такими свойствами, как спин-литье и использование тонкопленочного проводника. При низких масштабах производства квантовые точки дороже, чем массовые нанокристаллы, но кадмий и теллурид являются редкими и высокотоксичными металлами, подверженными колебаниям цен.

Группа Sargent [who?] Использовала сульфид свинца в качестве инфракрасного чувствительного донора электронов для создания ИК-солнечных элементов с рекордной эффективностью. Спин-литье может позволить строительство «тандемных» ячеек при значительно сниженной стоимости. Исходные ячейки использовали золотой субстрат в качестве электрода, хотя никель работает так же хорошо.

Удержание горячего носителя
Другим способом повышения эффективности является захват дополнительной энергии в электроне при испускании материала с одной зоной. В традиционных материалах, таких как кремний, расстояние от места выброса до электрода, где они собираются, слишком велико, чтобы это могло произойти; электрон будет испытывать много взаимодействий с кристаллическими материалами и решеткой, отдавая эту дополнительную энергию в виде тепла. В качестве альтернативы был применен аморфный тонкопленочный кремний, но дефекты, присущие этим материалам, пересиливали их потенциальное преимущество. Современные тонкопленочные ячейки остаются в целом менее эффективными, чем традиционный кремний.

Наноструктурированные доноры могут быть отлиты как однородные пленки, которые предотвращают проблемы с дефектами. Они будут подвержены другим проблемам, присущим квантовым точкам, особенно вопросам удельного сопротивления и удержанию тепла.

Несколько экситонов
В 2004 году Национальная лаборатория Лос-Аламоса сообщила о спектроскопических доказательствах того, что несколько экситонов можно эффективно генерировать при поглощении одного энергетического фотона в квантовой точке. Захват их уловил бы больше энергии при солнечном свете. В этом подходе, известном как «размножение несущей» (CM) или «множественная генерация экситонов» (MEG), квантовая точка настраивается на выпуск нескольких электронно-дырочных пар при более низкой энергии вместо одной пары при высокой энергии. Это повышает эффективность за счет увеличения фототока. Точки LANL были сделаны из селенида свинца.

В 2010 году Университет Вайоминга продемонстрировал аналогичную производительность с использованием клеток DCCS. Точки свинец-сера (PbS) демонстрировали двухэлектронный выброс, когда входящие фотоны имели примерно в три раза энергию запрещенной зоны.

В 2005 году NREL продемонстрировала MEG в квантовых точках, создавая три электрона на фотон и теоретическую эффективность 65%. В 2007 году они достигли аналогичного результата в кремнии.

Неокислительная
В 2014 году группа Университета Торонто изготовила и продемонстрировала тип ячейки n-типа CQD с использованием PbS со специальной обработкой, чтобы она не связывалась с кислородом. Ячейка достигла 8% эффективности, просто стесняясь текущей записью эффективности КТ. Такие клетки создают возможность немедленного «распыления» клеток. Однако эти воздушно-устойчивые CQD n-типа были фактически изготовлены в среде, не содержащей кислорода.

Также в 2014 году другая исследовательская группа в Массачусетском технологическом институте продемонстрировала устойчивые к атмосферному воздействию солнечные элементы ZnO / PbS, которые были изготовлены на воздухе, и достигли рекордной эффективности на уровне 8.55% (9.2% в лаборатории), поскольку они хорошо поглощали свет, а также переносили заряд в коллекторы на край ячейки. Эти камеры демонстрируют беспрецедентную устойчивость к воздушным потокам для солнечных элементов с квантовыми точками, что производительность остается неизменной в течение более 150 дней хранения на воздухе.