Co to są ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi?
Ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi to ogniwa słoneczne zbudowane na sieci kryształów wytwarzanych w skali nanometrów, które mogą potencjalnie przewyższyć konwencjonalne technologie ogniw słonecznych z powodu fundamentalnego ograniczenia sposobu, w jaki ogniwa słoneczne wychwytują światło słoneczne. Standardowe ogniwo słoneczne zbudowane jest na warstwie materiału, która jest najskuteczniejsza w wychwytywaniu jednego konkretnego pasma lub długości fali światła. Kropki kwantowe w ogniwach słonecznych z kropkami kwantowymi można jednak utworzyć w celu przechwycenia wielu pasm światła poprzez zmianę ich wielkości i składu chemicznego w procesie produkcyjnym. To sprawia, że układ różnych rodzajów kropek kwantowych na jednej warstwie podłoża potencjalnie jest w stanie uchwycić szeroki zakres długości fal światła, co czyni je znacznie bardziej wydajnymi i ekonomicznymi w produkcji niż standardowe ogniwa słoneczne.
Techniczny limit przetwarzania światła słonecznego w energię elektryczną za pomocą materiału ogniwa słonecznego zbudowanego z jednego rodzaju struktury chemicznej wynosi teoretycznie maksymalnie 31%. Komercyjne ogniwa słoneczne od 2011 r. Mają jednak praktyczny poziom wydajności jedynie od 15% do 17% na maksymalnym poziomie. Od dziesięcioleci prowadzone są badania mające na celu znalezienie ulepszeń technologii ogniw słonecznych z kilku punktów widzenia, takich jak zmniejszenie kosztów materiału fotowoltaicznego opartego na bardzo czystym krzemie poprzez zastąpienie elastycznych podłoży polimerowych i metalicznych. Badania nad ogniwami słonecznymi skupiły się również na uchwyceniu szerszego zakresu pasma światła, zarówno poprzez ułożenie różnych warstw materiałów ogniw słonecznych, jak i zaprojektowanie unikalnych kryształów, zwanych kropkami kwantowymi, na jednej warstwie ogniwa słonecznego. Wszystkie podejścia mają swoje wady, a ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi również próbują w miarę możliwości wykorzystać swoje zalety.
Nowa technologia ogniw słonecznych z kropkami kwantowymi opiera się na fizyce i chemii samych kropek kwantowych, ale obejmuje również zasadę wielowarstwowego ogniwa słonecznego oraz możliwość włączenia tych komponentów do łatwiejszych do wyprodukowania, potencjalnie- elastyczne podłoże. Idealnie, technologia ma na celu wytworzenie tak zwanego ogniwa słonecznego o pełnym spektrum, zdolnego do przechwytywania do 85% promieniowania świetlnego, widzialnego i przekształcania go w energię elektryczną, a także przechwytywania światła w pasmach podczerwieni i ultrafioletu. Wydajność energetyczna takich ogniw słonecznych osiągnęła 42% wydajności laboratoryjnej od 2011 r., A obecne wysiłki obejmują znalezienie praktycznych, opłacalnych struktur chemicznych dla takiej technologii, aby można ją było produkować masowo.
Podejścia do ogniw słonecznych nowej generacji skupiły się na modelu trzypasmowym lub modelu wielozłączowym, w którym różne warstwy półprzewodnikowych stopów arsenku galu są połączone. W innym wielozłączowym składzie chemicznym zastosowano stop cynk-mangan-tellur, a ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi są również wytwarzane z siarczku kadmu na podłożu z dwutlenku tytanu, który jest pokryty cząsteczkami organicznymi w celu połączenia podłoża metalowego z kropkami kwantowymi. Inne odmiany trzech warstw przerwy pasmowej obejmują badania z użyciem fosforu indu-galu, arsenku indu-galu i germanu. Wydaje się, że działa wiele kombinacji chemicznych, a wielkość cząsteczek wykorzystywanych w procesie, takich jak organiczna warstwa połączenia, wydaje się mieć większy bezpośredni wpływ na wydajność ogniw słonecznych z kropką kwantową w zakresie wychwytywania szerokiego spektrum światła niż faktyczna chemia samych materiałów. Jednak warstwy w wielozłączowym ogniwie słonecznym, w tym same kropki kwantowe, często muszą mieć grubość mniejszą niż dwa nanometry, co wymaga bardzo dokładnego poziomu precyzji, aby wytworzyć tylko takie wspaniałe urządzenia mikroczipowe, które sprawiają, że procesory komputerowe i pamięć są zdolny do masowej skali.
Celem badań nad ogniwami słonecznymi z kropkami kwantowymi jest uczynienie ogniw słonecznych zarówno bardziej wydajnymi, jak i tańszymi w produkcji. Najlepiej byłoby, gdyby były zbudowane na elastycznych materiałach polimerowych, dzięki czemu można je pomalować na budynki lub zastosować jako powłokę do przenośnej elektroniki. W ten sposób można je również wplatać w syntetyczne tkaniny na odzież i tapicerkę w samochodach. Zapewniłoby to szeroko rozpowszechnioną technologię ogniw słonecznych w wytwarzaniu elektryczności, która mogłaby uzupełnić lub zastąpić potrzebę wykorzystania paliw kopalnych dla wielu powszechnych potrzeb konsumentów, w tym w klimatyzacji, telekomunikacji, transporcie i oświetleniu. Takie ogniwa słoneczne zostały stworzone w laboratorium w USA, Kanadzie, Japonii i innych krajach, a pierwsza firma, która znajdzie sposób na niedrogą masową produkcję tej technologii, prawdopodobnie zdobędzie dla niej światowy rynek na niespotykaną skalę.