Wat zijn Quantum Dot-zonnecellen?

Quantum dot zonnecellen zijn zonnecellen gebouwd op een netwerk van kristallen vervaardigd op nanometerschaal die het potentieel hebben om conventionele zonneceltechnologieën te overtreffen vanwege een fundamentele beperking van hoe zonnecellen zonlicht opvangen. Een standaard zonnecel is gebouwd op een materiaallaag die het meest efficiënt is in het vangen van een bepaalde band of golflengte van licht. De kwantumstippen in kwantumstipzonnecellen kunnen echter worden gemaakt om meerdere lichtbanden te vangen door hun grootte en chemische samenstelling tijdens het productieproces te variëren. Dit maakt een reeks verschillende soorten kwantumstippen op één laag substraat mogelijk om een ​​breed scala aan lichtgolflengten te vangen, waardoor ze veel efficiënter en economischer zijn te produceren dan standaard zonnecellen.

De technische limiet voor het omzetten van zonlicht in elektrische energie met een zonnecelmateriaal bestaande uit één type chemische structuur is theoretisch maximaal 31%. Commerciële zonnecellen hebben vanaf 2011 alleen een praktisch efficiëntieniveau van 15% tot 17% op hun maximale niveau. Onderzoek is al tientallen jaren aan de gang om verbeteringen in zonneceltechnologie te vinden vanuit verschillende invalshoeken, zoals het verlagen van de kosten van fotovoltaïsch materiaal op basis van zeer zuiver silicium door het vervangen van flexibele polymere en metalen substraten. Onderzoek naar zonnecellen heeft zich ook gericht op het vangen van een breder bandafstandsbereik van licht, zowel door verschillende lagen van zonnecelmaterialen te stapelen of door unieke kristallen, ook wel kwantumstippen genoemd, op één laag zonnecellen te leggen. Alle benaderingen hebben hun nadelen, en quantum dot zonnecellen proberen ook waar mogelijk hun voordelen te benutten.

De opkomende technologie van quantum dot-zonnecellen is gebouwd op de fysica en chemie van de quantum-dots zelf, maar omvat ook het principe van een meerlagige zonnecel, en de mogelijkheid om deze componenten op te nemen in een gemakkelijker te produceren, potentieel- flexibel substraat. In het ideale geval richt de technologie zich op het produceren van een zogeheten full-spectrum zonnecel, die tot 85% van stralend, zichtbaar licht kan opvangen en omzetten in elektriciteit, evenals wat licht in de infrarood- en ultraviolette banden. Energie-output voor dergelijke zonnecellen heeft in het laboratorium een ​​efficiëntie van 42% bereikt vanaf 2011, en huidige inspanningen omvatten het vinden van praktische, kosteneffectieve chemische structuren voor dergelijke technologie zodat deze in massa kan worden geproduceerd.

Benaderingen van de volgende generatie zonnecellen zijn gericht op het drie-band gap of multi-junction model, waar verschillende lagen halfgeleidende legeringen van gallium-arsenide-nitraat met elkaar zijn verbonden. Een andere multi-junctie chemische samenstelling heeft een zink-mangaan-telluriumlegering gebruikt en quantum dot zonnecellen worden ook gemaakt van cadmium-sulfide op een titaniumdioxide substraat dat is bekleed met organische moleculen om het metaalsubstraat en de quantum dots te verbinden. Andere variaties op de drie band gap-lagen omvatten onderzoek met indium-gallium-fosfide, indium-gallium-arsenide en germanium. Veel chemische combinaties lijken te werken, en de grootte van de moleculen die in het proces worden gebruikt, zoals de organische verbindingslaag, lijken meer een directe invloed te hebben op de efficiëntie van kwantumdot zonnecellen om een ​​breed spectrum van licht te vangen dan de feitelijke chemie van de materialen zelf. De lagen in een multi-junction zonnecel, inclusief de kwantumstippen zelf, moeten echter vaak minder dan twee nanometer dik zijn, wat een uiterst fijne nauwkeurigheid vereist om te produceren dat alleen microchip fabrieken die computerprocessors en geheugen maken in staat op grote schaal.

Het doel van quantum dot-zonnecellenonderzoek is om zonnecellen zowel efficiënter als goedkoper te maken. In het ideale geval worden ze gebouwd op flexibele polymere materialen zodat ze op gebouwen kunnen worden geverfd of als coating voor draagbare elektronica kunnen worden gebruikt. Ze zouden dan ook kunnen worden geweven tot synthetische stoffen voor kleding en bekleding in auto's. Dit zou zonneceltechnologie wijdverbreide toepassingen in elektrische opwekking bieden die de behoefte aan gebruik van fossiele brandstoffen kunnen aanvullen of vervangen voor veel voorkomende consumentenbehoeften, waaronder klimaatregeling, telecommunicatie, transport en verlichting. Dergelijke zonnecellen zijn gemaakt in het laboratorium in de VS, Canada, Japan en andere landen, en het eerste bedrijf dat een methode voor goedkope massaproductie van de technologie heeft gevonden, zal waarschijnlijk een wereldmarkt veroveren van ongekende schaal.