Mieszanina kropek kwantowych pomoże zwiększyć wydajność ogniw słonecznych

Hiszpańscy naukowcy opracowali nową metodę przedłużającą czas życia nośników ładunku w ogniwach słonecznych, polegającą na zastosowaniu w nich mieszaniny kropek kwantowych. Zdaniem badaczy zastosowanie tej techniki w procesie produkcji ogniw słonecznych może przyczynić się do znacznego zwiększenia ich wydajności, nawet w przypadku ogniw, w których materiał fotowoltaiczny będzie charakteryzował się niezbyt dobrymi właściwościami optoelektronicznymi.

Nieorganiczne ogniwa słoneczne to urządzenia składające się z warstw kropek kwantowych (nanometrowej wielkości kawałków półprzewodnika) umieszczonych w koloidalnej zawiesinie. Urządzenia te posiadają interesujące właściwości obejmujące przede wszystkim zdolność do absorbowania światła w szerokim zakresie długości fal. Własność ta wynika z możliwości strojenia przerwy energetycznej kropek kwantowych poprzez zmianę ich rozmiaru.

Czas życia nośników ładunku – kluczowy parametr materiałów fotowoltaicznych

W procesie absorpcji światła przez materiał fotowoltaiczny wytwarzane są pary nośników ładunku (elektrony i dziury), których czas życia musi być wystarczająco długi, aby te przemieszczając się w materiale, mogły generować prąd elektryczny. W dotychczasowych urządzeniach stosowano kropki kwantowe składające się z atomów kadmu i ołowiu, ze względu na długi czas życia nośników w tychże materiałach. Jednak używanie kadmu i ołowiu nie jest do końca zbyt dobrym rozwiązaniem. „Zarówno kadm, jak i ołów zaliczamy do grupy toksycznych pierwiastków, dlatego naukowcy szukają obecnie innych, bezpieczniejszych materiałów, nawet jeśli miałyby się one charakteryzować nieco gorszymi właściwościami optoelektronicznymi”, wyjaśnił Gerasimos Konstantatos z Institut de Ciencies Fotoniques w Barcelonie, kierownik grupy hiszpańskich naukowców.

Urządzenie stworzone przez grupę Konstantatos’a składało się z „nano-heterozłącza” zawierającego mieszaninę kropek kwantowych zbudowanych z siarczku ołowiu (PbS) domieszkowanego na typ p oraz z kropek kwantowych z siarczku bizmutu (Bi₂Si₃) domieszkowanych na typ n. Materiały te zostały tak dobrane, aby po zaabsorbowaniu światła przez kropki kwantowe, wzbudzone pary elektron-dziura mogły ulec rozseparowaniu i przemieszczać się wzdłuż urządzenia oddzielnymi drogami, celem zmniejszenia prawdopodobieństwa ich rekombinacji. W kolejnym etapie wspomniana mieszanina kropek kwantowych została umieszczona pomiędzy warstwą niedomieszkowanych kropek kwantowych z Bi₂Si₃, transportującą elektrony oraz przeciwstawiającą się przepływowi dziur, oraz warstwą kropek kwantowych z PbS, transportującą dziury i przeciwstawiającą się przepływowi elektronów. Aby określić względną wydajność takiej struktury, skonstruowano dodatkowo urządzenie składające się z dwuwarstwy kropek kwantowych zbudowanych z tych samych materiałów. Porównanie wydajności konwersji fotowoltaicznej obydwu urządzeń wykazało, że wydajność struktury zawierającej mieszaninę kropek była około 4,8% większa, niż struktury zawierającej dwuwarstwę kropek.

Różne ułożenie kropek kwantowych – różny czas życia nośników

Aby określić przyczynę wzrostu wydajności urządzenia z mieszaniną kropek kwantowych, Arup Rath, jeden z członków zespołu, wraz z innymi naukowcami przeprowadzili pomiary czasu życia nośników ładunku w obydwu urządzeniach, w funkcji intensywności światła emitowanego na ich powierzchnię. Pomiary wykazały, że przy niskiej intensywności światła czas życia nośników był porównywalny w obydwu urządzeniach. W przypadku światła o wyższej intensywności, zbliżonej do intensywności światła słonecznego, czas życia nośników w strukturze z dwuwarstwą kropek był trzykrotnie krótszy w porównaniu ze strukturą zawierającą mieszaninę kropek. Wynik ten oznacza, że rekombinacja par elektron-dziura zachodziła znacznie wolniej w drugim z wymienionych urządzeń. „Chociaż, wydajność konwersji fotoelektrycznej naszego urządzenia jest wciąż dużo mniejsza, niż urządzeń opartych na kropkach kwantowych z PbS, cieszymy się jednak z tego, że udało nam się udowodnić, że możliwym staje się przedłużenie czasu życia nośników ładunku w ogniwach słonecznych”, powiedział Konstantatos.

Artykuł pochodzi ze strony: physiscworld.com