Cosa sono le celle solari a punti quantici?
Le celle solari a punti quantici sono celle solari costruite su una rete di cristalli fabbricati su scala nanometrica che hanno il potenziale di sovraperformare le tecnologie convenzionali delle celle solari a causa di una limitazione fondamentale del modo in cui le celle solari catturano la luce solare. Una cella solare standard è costruita su uno strato di materiale che è più efficiente nel catturare una particolare banda o lunghezza d'onda della luce. I punti quantici nelle celle solari a punti quantici, tuttavia, possono essere creati per catturare più bande di luce variando la loro dimensione e composizione chimica nel processo di fabbricazione. Ciò rende una serie di diversi tipi di punti quantici su uno strato di substrato potenzialmente in grado di catturare una vasta gamma di lunghezze d'onda luminose, rendendoli molto più efficienti ed economici da produrre rispetto alle celle solari standard.
Il limite tecnico per convertire la luce solare in energia elettrica con un materiale a celle solari costituito da un tipo di struttura chimica è teoricamente un massimo del 31%. Tuttavia, le celle solari commerciali a partire dal 2011 hanno solo un livello di efficienza pratica dal 15% al 17% al loro livello massimo. Sono in corso ricerche per decenni per trovare miglioramenti della tecnologia delle celle solari da diversi punti di vista, come la riduzione delle spese di materiale fotovoltaico basato su silicio altamente puro sostituendo polimeri flessibili e substrati metallici. La ricerca sulle celle solari si è anche concentrata sulla cattura di una gamma più ampia di luce divisa in bande, sia impilando diversi strati di materiali di celle solari o ingegnerizzando cristalli unici, noti come punti quantici, su uno strato di celle solari. Tutti gli approcci hanno i loro svantaggi e anche le celle solari a punti quantici tentano di sfruttare i loro vantaggi ove possibile.
La tecnologia emergente delle celle solari a punti quantici si basa sulla fisica e sulla chimica dei punti quantici stessi, ma include anche il principio di una cella solare multistrato e la capacità di incorporare questi componenti in una più facilmente fabbricabile, potenzialmente- substrato flessibile. Idealmente, la tecnologia mira a produrre quella che è conosciuta come una cella solare a spettro completo, in grado di catturare fino all'85% della luce radiante e visibile e convertirla in elettricità, nonché catturare un po 'di luce nelle bande infrarosse e ultraviolette. I risultati energetici per tali celle solari hanno raggiunto il 42% di efficienza in laboratorio a partire dal 2011 e gli attuali sforzi prevedono la ricerca di strutture chimiche pratiche e convenienti per tale tecnologia, in modo che possano essere prodotte in serie.
Gli approcci alle celle solari di prossima generazione si sono concentrati sul divario a tre bande o sul modello multi-giunzione, in cui diversi strati di leghe semiconduttori di gallio-arsenuro-nitrato sono interconnessi. Un'altra composizione chimica multi-giunzione ha usato una lega di zinco-manganese-tellurio e celle solari a punto quantico sono anche fatte da solfuro di cadmio su un substrato di biossido di titanio che è rivestito con molecole organiche per interconnettere il substrato metallico e i punti quantici. Altre variazioni sui tre strati di gap di banda includono la ricerca con indio-gallio-fosfuro, indio-gallio-arsenide e germanio. Molte combinazioni chimiche sembrano funzionare e le dimensioni delle molecole utilizzate nel processo, come lo strato di interconnessione organico, sembrano avere un impatto più diretto sull'efficienza delle celle solari a punti quantici per catturare un ampio spettro di luce rispetto al chimica reale dei materiali stessi. Gli strati in una cella solare a giunzione multipla, tuttavia, compresi i punti quantici stessi, spesso devono avere uno spessore inferiore a due nanometri, il che richiede un livello estremamente preciso di precisione per produrre solo le strutture favolose di microchip che producono processori e memoria per computer capace su larga scala.
L'obiettivo della ricerca sulle celle solari a punti quantici è rendere le celle solari più efficienti e meno costose da produrre. Idealmente, saranno costruiti su materiali polimerici flessibili in modo che possano essere verniciati su edifici o utilizzati come rivestimento per l'elettronica portatile. Sarebbero quindi in grado di essere tessuti in tessuti sintetici per abbigliamento e tappezzeria in auto. Ciò darebbe alla tecnologia delle celle solari applicazioni diffuse nella generazione elettrica che potrebbero integrare o soppiantare la necessità dell'uso di combustibili fossili per molte esigenze comuni dei consumatori, inclusi il controllo del clima, le telecomunicazioni, i trasporti e l'illuminazione. Tali celle solari sono state create in laboratorio negli Stati Uniti, in Canada, in Giappone e in altre nazioni, e la prima azienda a trovare un metodo di produzione in serie economica della tecnologia è in grado di catturare un mercato mondiale per esso su scala senza precedenti.