Vad är solceller med kvantpunkter?

Kvantpunktsolceller är solceller byggda på ett nätverk av kristaller tillverkade i nanometerskala som har potential att överträffa konventionella solcellsteknologier på grund av en grundläggande begränsning av hur solceller fångar solljus. En standard solcell bygger på ett materialskikt som är mest effektivt för att fånga ett visst band eller våglängd för ljus. Kvantpunkterna i solceller med kvantpunkter kan emellertid skapas för att fånga flera ljusband genom att variera deras storlek och kemiska smink i tillverkningsprocessen. Detta gör en mängd olika typer av kvantprickar på ett lager av underlag som potentiellt kan fånga ett brett spektrum av ljusvåglängder, vilket gör dem mycket effektivare och mer ekonomiska att producera än vanliga solceller.

Den tekniska gränsen för att konvertera solljus till elektrisk energi med ett solcellsmaterial som består av en typ av kemisk struktur är teoretiskt högst 31%. Kommersiella solceller från och med 2011 har emellertid endast en praktisk effektivitetsnivå mellan 15 och 17% vid sin maximala nivå. Forskning har pågått i decennier för att hitta förbättringar av solcellstekniken från flera utsiktspunkter, såsom att minska kostnaden för fotovoltaiskt material baserat på mycket rent kisel genom att ersätta flexibla polymer- och metallunderlag. Solcellsforskning har också fokuserat på att fånga ett bredare ljusintervall av ljus, både genom att stapla olika lager av solcellsmaterial eller konstruera unika kristaller, kända som kvantprickar, på ett solcellskikt. Alla tillvägagångssätten har sina nackdelar, och kvantpunktsolceller försöker också utnyttja sina fördelar där det är möjligt.

Den framväxande tekniken för kvantpunktsolceller bygger på fysik och kemi hos kvantpunkterna själva, men inkluderar också principen om en flerskiktad solcell, och förmågan att integrera dessa komponenter i en lättare tillverkad, potentiellt- flexibelt underlag. Idealt syftar tekniken till att producera en så kallad fullspektrum solcell, som kan fånga upp till 85% av strålande, synligt ljus och omvandla det till elektricitet, samt att fånga lite ljus i det infraröda och ultravioletta bandet. Energiproduktionen för sådana solceller har nått 42% effektivitet i laboratoriet från och med 2011, och nuvarande ansträngningar innebär att hitta praktiska, kostnadseffektiva kemiska strukturer för sådan teknik så att den kan massproduceras.

Tillvägagångssätt till nästa generations solceller har fokuserat på trebandsgapet eller modellen med flera övergångar, där olika lager av halvledande legeringar av gallium-arsenidnitrat är sammankopplade. En annan kemisk sammansättning med flera övergångar har använt en zink-mangan-telluriumlegering och kvantpunktsolceller tillverkas också av kadmiumsulfid på ett titandioxidunderlag som är belagt med organiska molekyler för att sammankoppla metallsubstratet och kvantpunkterna. Andra variationer på de tre bandgapskikten inkluderar forskning som använder indium-gallium-fosfid, indium-gallium-arsenid och germanium. Många kemiska kombinationer verkar fungera, och storleken på molekylerna som används i processen, såsom det organiska sammankopplingsskiktet, verkar ha mer direkt inverkan på effektiviteten hos kvantprick solceller för att fånga ett brett spektrum av ljus än själva materialets kemi. Skikten i en solcell med flera övergångar måste emellertid, inklusive själva kvantpunkterna, vara mindre än två nanometer tjocka, vilket kräver en extremt fin precision för att producera att endast mikrochip-fab-anläggningar som gör datorprocessorer och minne är kan i en massskala.

Målet med forskning om kvantpunktsolceller är att göra solceller både effektivare och billigare att tillverka. Idealt kommer de att byggas på flexibla polymermaterial så att de kan målas på byggnader eller användas som en beläggning för bärbar elektronik. De skulle då också kunna vävas i syntetiska tyger för kläder och klädsel i bilar. Detta skulle ge solcellsteknologi utbredda tillämpningar inom elektrisk produktion som kan komplettera eller ersätta behovet av fossilt bränsleanvändning för många vanliga konsumentbehov inklusive klimatkontroll, telekommunikation, transport och belysning. Sådana solceller har skapats i laboratoriet i USA, Kanada, Japan och andra länder, och det första företaget som hittade en metod för billig massproduktion av tekniken kommer sannolikt att fånga en världsmarknad för den av enastående skala.