Hvad er kvanteprik solceller?

Kvanteprik solceller er solceller bygget på et netværk af krystaller, der er fremstillet i nanometer skala, og som har potentialet til at overgå traditionelle solcelle teknologier på grund af en grundlæggende begrænsning af, hvordan solceller fanger sollys. En standard solcelle er bygget på et lag af materiale, der er mest effektiv til at fange et bestemt bånd eller bølgelængde af lys. Kvanteprikkerne i kvanteprik solceller kan imidlertid oprettes til at fange flere bånd af lys ved at variere deres størrelse og kemiske sammensætning i fremstillingsprocessen. Dette gør en række forskellige slags kvantepunkter på et lag substrat, der potentielt er i stand til at fange en lang række lysbølgelængder, hvilket gør dem meget mere effektive og økonomiske at producere end almindelige solceller.

Den tekniske grænse for konvertering af sollys til elektrisk energi med et solcellemateriale, der består af en type kemisk struktur, er teoretisk et maksimum på 31%. Kommercielle solceller har fra 2011 kun et praktisk effektivitetsniveau på 15% til 17% på deres maksimale niveau. Forskning har været i gang i årtier for at finde forbedringer af solcelleteknologi fra flere udsigtspunkter, såsom at reducere udgifterne til fotovoltaisk materiale baseret på stærkt rent silicium ved at erstatte fleksible polymer- og metalliske underlag. Solcelleforskning har også fokuseret på at indfange et bredere bånd af lysområdet, både ved at stable forskellige lag med solcellematerialer eller konstruere unikke krystaller, kendt som kvantepunkter, på et solcellelag. Alle tilgange har deres ulemper, og kvanteprik solceller forsøger også at gøre brug af deres fordele, hvor det er muligt.

Den nye teknologi til kvanteprik solceller er bygget på fysikken og kemi for kvanteprikkerne i sig selv, men inkluderer også princippet om en flerlags solcelle og evnen til at inkorporere disse komponenter i en lettere fremstillet, potentielt- fleksibelt underlag. Ideelt set er teknologien målrettet mod at producere den, der er kendt som en fuldspektret solcelle, der er i stand til at fange op til 85% af strålende, synligt lys og konvertere det til elektricitet, såvel som at fange noget lys i det infrarøde og ultraviolette bånd. Energiudgang til sådanne solceller har nået 42% effektivitet i laboratoriet fra 2011, og den nuværende indsats involverer at finde praktiske, omkostningseffektive kemiske strukturer til sådan teknologi, så den kan masseproduceres.

Tilgange til næste generation af solceller har fokuseret på trebåndspalten eller multifunktionsmodellen, hvor forskellige lag af halvledende legeringer af galliumarsenidnitrat er indbyrdes forbundet. En anden kemisk sammensætning med flere forbindelser har brugt en zink-mangan-telluriumlegering, og kvanteprik solceller fremstilles også af cadmiumsulfid på et titandioxidunderlag, der er coatet med organiske molekyler for at forbinde metallsubstratet og kvantepunkterne. Andre variationer på de tre båndgaplag inkluderer forskning ved anvendelse af indium-gallium-phosphide, indium-gallium-arsenid og germanium. Mange kemiske kombinationer ser ud til at virke, og størrelsen på molekylerne, der bruges i processen, såsom det organiske sammenkoblingslag, ser ud til at have mere direkte indflydelse på effektiviteten af ​​kvanteprik solceller til at fange et bredt spektrum af lys end faktisk kemi af selve materialerne. Lagene i en solcelle med flere kryds, men inklusive selve kvanteprikkerne, skal ofte være mindre end to nanometer tykke, hvilket kræver et ekstremt fint præcisionsniveau for at producere, at kun mikrochip-fab-faciliteter, der gør computerprocessorer og hukommelse, er i stand til i masseskala.

Målet med kvanteprik solcelleforskning er at gøre solceller både mere effektive og billigere at fremstille. Ideelt vil de blive bygget på fleksible polymermaterialer, så de kan males på bygninger eller bruges som belægning til bærbar elektronik. De kunne da også kunne væves ind i syntetiske stoffer til beklædning og polstring i biler. Dette ville give solcelleteknologi udbredte applikationer inden for elektrisk produktion, der kan supplere eller erstatte behovet for brug af fossilt brændstof til mange almindelige forbrugerbehov, herunder inden for klimakontrol, telekommunikation, transport og belysning. Sådanne solceller er blevet oprettet i laboratoriet i USA, Canada, Japan og andre nationer, og det første firma, der har fundet en metode til billig masseproduktion af teknologien, sandsynligvis fanger et verdensmarked for det i en hidtil uset skala.