量子ドット太陽電池とは？

量子ドット太陽電池は、ナノメートル規模で製造された結晶のネットワーク上に構築された太陽電池であり、太陽電池による太陽光の捕捉方法の根本的な制限により、従来の太陽電池技術を上回る可能性があります。 標準的な太陽電池は、光の特定の帯域または波長をキャプチャするのに最も効率的な材料の層の上に構築されます。 ただし、量子ドット太陽電池の量子ドットは、製造プロセスでサイズと化学組成を変えることにより、複数のバンドの光を捕捉するために作成できます。 これにより、1層の基板上のさまざまな種類の量子ドットのアレイが潜在的に広範囲の光波長を捕捉できるようになり、標準的な太陽電池よりもはるかに効率的かつ経済的に生産できるようになります。

1種類の化学構造で構成される太陽電池材料で太陽光を電気エネルギーに変換するための技術的な制限は、理論的には最大31％です。 ただし、2011年現在の商業用太陽電池の実用効率レベルは、最大レベルで15〜17％しかありません。 柔軟性のあるポリマーや金属基板を代替することにより、高純度シリコンをベースにした光起電力材料のコストを削減するなど、いくつかの有利な点から太陽電池技術の改善を見つけるための研究が何十年も行われています。 太陽電池の研究は、太陽電池材料の異なる層を積み重ねたり、1つの太陽電池層に量子ドットとして知られる独自の結晶を加工したりすることにより、より広いバンドギャップ範囲の光を捕捉することにも焦点を当てています。 すべてのアプローチには欠点があり、量子ドット太陽電池も可能な限りその利点を活用しようとします。

量子ドット太陽電池の新しい技術は、量子ドット自体の物理学と化学に基づいていますが、多層太陽電池の原理、およびこれらのコンポーネントをより簡単に製造され、潜在的にフレキシブル基板。 理想的には、この技術はフルスペクトル太陽電池として知られているものを生産することを目標としており、放射、可視光の最大85％をキャプチャし、それを電気に変換し、赤外線と紫外線帯域の光をキャプチャすることができます。 このような太陽電池のエネルギー出力は、2011年の時点で実験室で42％の効率に達しており、現在の取り組みでは、そのような技術の実用的で費用対効果の高い化学構造を見つけて大量生産できるようにしています。

次世代の太陽電池へのアプローチは、3バンドギャップモデルまたは多接合モデルに焦点を当てています。このモデルでは、ヒ化ガリウム硝酸塩の半導体合金の異なる層が相互接続されています。 別の多接合化学組成物は、亜鉛-マンガン-テルル合金を使用しており、量子ドット太陽電池は、金属基板と量子ドットを相互接続する有機分子でコーティングされた二酸化チタン基板上の硫化カドミウムからも作られています。 3つのバンドギャップ層の他のバリエーションには、リン化インジウムガリウム、ヒ化インジウムガリウム、およびゲルマニウムを使用した研究が含まれます。 多くの化学的組み合わせが機能しているように見え、プロセスで使用される有機相互接続層などの分子のサイズは、量子ドット太陽電池の効率に直接影響を与え、より広いスペクトルの光を捕捉するようです材料自体の実際の化学。 ただし、多接合太陽電池の層は、量子ドット自体を含めて、多くの場合、2ナノメートル未満の厚さである必要があり、コンピュータープロセッサとメモリを製造するマイクロチップ製造施設のみを製造するには、非常に高い精度が必要です。大規模に対応できます。

量子ドット太陽電池研究の目標は、太陽電池をより効率的かつ安価に製造することです。 理想的には、建物に塗装したり、携帯用電子機器のコーティングとして使用したりできるように、柔軟なポリマー材料の上に構築されます。 その場合、彼らは車の衣服や室内装飾品用の合成繊維に織り込むこともできます。 これにより、気候制御、電気通信、輸送、照明など、多くの一般的な消費者ニーズに対応する化石燃料の使用を補完または代替できる、太陽電池技術の発電への広範な応用が可能になります。 そのような太陽電池は、米国、カナダ、日本、およびその他の国の研究室で作成されており、この技術の安価な大量生産の方法を見つけた最初の企業は、前例のない規模の世界市場を獲得する可能性があります。