Что такое солнечные элементы с квантовыми точками?

Солнечные элементы с квантовыми точками - это солнечные элементы, построенные на основе сети кристаллов, изготовленных в нанометровом масштабе, которые могут превзойти традиционные технологии солнечных элементов из-за фундаментального ограничения того, как солнечные элементы захватывают солнечный свет. Стандартный солнечный элемент построен на слое материала, который наиболее эффективен при захвате одной конкретной полосы или длины волны света. Однако квантовые точки в солнечных элементах с квантовыми точками могут быть созданы для захвата множества полос света, изменяя их размер и химический состав в процессе производства. Это делает массив различных видов квантовых точек на одном слое подложки потенциально способным захватывать широкий диапазон длин волн света, что делает их гораздо более эффективными и экономичными в производстве, чем стандартные солнечные элементы.

Технический предел для преобразования солнечного света в электрическую энергию с использованием материала солнечного элемента, состоящего из одного типа химической структуры, теоретически составляет максимум 31%. Однако коммерческие солнечные элементы с 2011 года имеют максимальный практический уровень эффективности от 15% до 17%. В течение десятилетий проводились исследования, направленные на поиск улучшений в технологии солнечных элементов с нескольких точек зрения, таких как снижение затрат на фотоэлектрические материалы на основе высокочистого кремния за счет замены гибких полимерных и металлических подложек. Исследования солнечных элементов также были сосредоточены на захвате более широкого диапазона ширины запрещенной зоны, как путем наложения различных слоев материалов солнечных элементов, так и создания уникальных кристаллов, известных как квантовые точки, на один слой солнечных элементов. Все подходы имеют свои недостатки, и солнечные элементы с квантовыми точками также пытаются использовать их преимущества там, где это возможно.

Появляющаяся технология солнечных элементов с квантовыми точками основана на физике и химии самих квантовых точек, но также включает в себя принцип многослойного солнечного элемента и способность включать эти компоненты в более легко производимые, потенциально гибкая подложка. В идеале технология нацелена на создание так называемого солнечного элемента полного спектра, способного захватывать до 85% излучаемого, видимого света и преобразовывать его в электричество, а также захватывать некоторое количество света в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Выход энергии для таких солнечных элементов в лаборатории достиг 42% по состоянию на 2011 год, и в настоящее время предпринимаются усилия по поиску практичных, экономически эффективных химических структур для такой технологии, чтобы ее можно было массово производить.

Подходы к солнечным элементам следующего поколения были сфокусированы на трехзонной модели или многопереходной модели, где различные слои полупроводниковых сплавов галлия-арсенид-нитрата взаимосвязаны. В другом многопереходном химическом составе использовался сплав цинк-марганец-теллур, а солнечные элементы с квантовыми точками также изготавливались из сульфида кадмия на подложке из диоксида титана, которая покрыта органическими молекулами для соединения металлической подложки и квантовых точек. Другие изменения в трех слоях запрещенной зоны включают исследования с использованием индия-галлия-фосфида, индия-галлия-арсенида и германия. Многие химические комбинации, по-видимому, работают, и размер молекул, используемых в процессе, таких как органический межсоединительный слой, по-видимому, оказывает большее прямое влияние на эффективность солнечных элементов с квантовыми точками для захвата широкого спектра света, чем актуальная химия самих материалов. Однако слои в многопереходном солнечном элементе, включая сами квантовые точки, часто должны иметь толщину менее двух нанометров, что требует чрезвычайно высокой степени точности, чтобы получить только те микропроцессорные микропроцессорные устройства, которые делают компьютерные процессоры и память способен в массовом масштабе.

Цель исследования солнечных элементов с квантовыми точками - сделать солнечные элементы более эффективными и менее дорогими в производстве. В идеале они должны быть построены на гибких полимерных материалах, чтобы их можно было наносить на здания или использовать в качестве покрытия для портативной электроники. Затем они также могли бы быть вплетены в синтетические ткани для одежды и обивки в автомобилях. Это дало бы широкое применение технологии солнечных элементов в производстве электроэнергии, которая могла бы дополнить или вытеснить потребность в использовании ископаемого топлива для многих общих потребностей потребителей, включая климат-контроль, телекоммуникации, транспорт и освещение. Такие солнечные элементы были созданы в лаборатории в США, Канаде, Японии и других странах, и первая компания, которая найдет способ недорогого массового производства этой технологии, вероятно, захватит мировой рынок для нее беспрецедентного масштаба.