Hva er kvante prikk solceller?

Quantum dot solceller er solceller bygget på et nettverk av krystaller produsert i nanometer skala som har potensiale til å overgå konvensjonelle solcelle teknologier på grunn av en grunnleggende begrensning av hvordan solceller fanger sollys. En standard solcelle er bygget på et lag med materiale som er mest effektiv til å fange ett bestemt bånd eller bølgelengde av lys. Kvanteprikkene i kvanteprikk-solceller kan imidlertid opprettes for å fange flere lysbånd ved å variere størrelse og kjemisk sammensetning i produksjonsprosessen. Dette gjør en rekke forskjellige typer kvanteprikker på ett lag med underlag potensielt i stand til å fange et bredt spekter av lysbølgelengder, noe som gjør dem mye mer effektive og økonomiske å produsere enn standard solceller.

Den tekniske grensen for å konvertere sollys til elektrisk energi med et solcellemateriale som består av en type kjemisk struktur er teoretisk maksimalt 31%. Kommersielle solceller fra 2011 har imidlertid bare et praktisk effektivitetsnivå på 15 til 17% på sitt maksimale nivå. Forskning har vært i gang i flere tiår for å finne forbedringer av solcelleteknologi fra flere utsiktspunkter, for eksempel å redusere kostnadene for fotovoltaisk materiale basert på meget rent silisium ved å erstatte fleksible polymer- og metallunderlag. Solcelleforskning har også fokusert på å fange et bredere spaltsortiment av lys, både ved å stable forskjellige lag med solcellematerialer eller konstruere unike krystaller, kjent som kvanteprøver, på ett solcellelag. Alle tilnærmingene har sine ulemper, og kvanteprikk-solceller prøver også å benytte seg av fordelene der det er mulig.

Den nye teknologien til kvanteprikk-solceller er bygget på fysikken og kjemien til selve kvanteprikkene, men inkluderer også prinsippet om en flerlags solcelle, og evnen til å innlemme disse komponentene i en lettere produsert, potensielt- fleksibelt underlag. Ideelt sett er teknologien rettet mot å produsere den som er kjent som en fullspektret solcelle, som er i stand til å fange opp til 85% av strålende, synlig lys og konvertere det til elektrisitet, samt fange litt lys i de infrarøde og ultrafiolette båndene. Energiutgang for slike solceller har nådd 42% effektivitet i laboratoriet fra 2011, og dagens arbeid innebærer å finne praktiske, kostnadseffektive kjemiske strukturer for slik teknologi slik at den kan masseproduseres.

Tilnærminger til neste generasjons solceller har fokusert på trebåndspalten eller multikjøringsmodellen, der forskjellige lag av halvledende legeringer av gallium-arsenidnitrat er sammenkoblet. En annen kjemisk sammensetning med flere forbindelser har brukt en sink-mangan-tellurlegering, og kvantprikk-solceller blir også laget av kadmiumsulfid på et titandioksyd-underlag som er belagt med organiske molekyler for å sammenkoble metallsubstratet og kvantepunktene. Andre variasjoner på de tre båndgaplagene inkluderer forskning som bruker indium-gallium-fosfid, indium-gallium-arsenid og germanium. Mange kjemiske kombinasjoner ser ut til å virke, og størrelsen på molekylene som brukes i prosessen, for eksempel det organiske sammenkoblingslaget, ser ut til å ha mer direkte innvirkning på effektiviteten til kvante prikk-solceller for å fange et bredt spekter av lys enn faktisk kjemi av selve materialene. Lagene i en solcelle med flere koblinger, inkludert selve kvanteprikkene, må imidlertid ofte være mindre enn to nanometer tykke, noe som krever et ekstremt fint presisjonsnivå for å produsere at bare mikrochip fab-fasiliteter som lager datamaskinprosessorer og minne er i stand til i masseskala.

Målet med kvantumprikk på solceller er å gjøre solceller både mer effektive og rimeligere å produsere. Ideelt sett vil de være bygget på fleksible polymermaterialer slik at de kan males på bygninger eller brukes som belegg for bærbar elektronikk. De vil da også kunne veves til syntetiske stoffer for klær og møbeltrekk i biler. Dette vil gi solcelleteknologi utbredte applikasjoner innen elektrisk produksjon som kan supplere eller erstatte behovet for fossilt brenselbruk for mange vanlige forbrukerbehov, inkludert innen klimakontroll, telekommunikasjon, transport og belysning. Slike solceller er blitt opprettet i laboratoriet i USA, Canada, Japan og andre nasjoner, og det første selskapet som fant en metode for billig masseproduksjon av teknologien, vil sannsynligvis fange et verdensmarked for den uten enestående skala.