Солнечные ячейки CQD становятся «иерархическими»
 Изображение сформированных пирамидальных электродов, полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В солнечной ячейке фотоны при столкновении с фотоэлектрическим материалом могут высвобождать пару носителей заряда (электронов и дырок проводимости), которые имеют энергию, по крайней мере, равную или большую уровня запрещенной зоны материала. В роли таких фотоэлектрических материалов могут выступать тонкопленочные полупроводники, например, такие как коллоидные квантовые точки (colloidal quantum dots, CQD).
Стоит отметить, что тонкопленочные фотоэлектрические устройства могут быть дешевой альтернативой традиционным кремниевым материалам в основе солнечных элементов, поскольку при их использовании требуется меньше материала (по весу), чтобы поглотить то же самое количество солнечной энергии в единицу времени. Коллоидные квантовые точки могут быть синтезированы в растворе, а это означает, что пленки из таких частиц могут быстро и легко наноситься на широкий диапазон гибких и жестких подложек (как краска или чернила). Еще одним преимуществом использования CQD в солнечных элементах является то, что они поглощают свет в широком спектральном диапазоне благодаря тому, что ширина их запрещенной зоны может быть «настроена» в диапазоне энергий с помощью простого изменения размера наночастиц. Но и это еще не все. Главным достоинством коллоидных квантовых точек является то, что они имеют КПД преобразования энергии порядка 8,5%.
Проблема заключается в том, что так называемая толщина структуры, из которой эффективно можно извлечь фотогенерированные носители заряда (электроны и дырки проводимости), в таких материалах слишком маленькая. Это означает, что фотогенерируемые носители заряда не имеют достаточно времени не только, чтобы рекомбинировать, но и чтобы обеспечить полезный фототок. Это также означает, что солнечные фотоны, энергия которых выше уровня запрещенной зоны использованного проводника, не могут быть эффективно использованы.
Группа ученых из University of Toronto (Канада) в своей последней работе удалось усовершенствовать солнечные ячейки на основе коллоидных квантовых точек (в их случае сформированных из сульфида свинца). Они предложили использовать пирамидальные прозрачные электроды из диоксида титана. Электроды производились путем простой процедуры штамповки, а затем покрывались пленками коллоидных квантовых точек.
Сами ученые назвали использованную конструкцию «иерархической», поскольку в ней использовано три различных масштаба длины. Во-первых, они задействовали квантовые точки, которые синтезируются на масштабе длины в несколько нанометров (имея 3 – 5 нм в диаметре). Это размеры, необходимые для правильной настройки ширины запрещенной зоны. Затем квантовые точки организуются в тонкие пленки, имеющие характерный масштаб – сотни нанометров (порядка 300 – 400 нм), что является необходимой толщиной для эффективного извлечения носителей заряда. Наконец, структуры, находящиеся на верхней ступени «иерархии» имеют характерные размеры порядка нескольких микрометров (2 – 10 мкм). Такие габариты необходимы для эффективного сбора света. Итоговая структура имеет пирамидальную форму с углом наклона 55 градусов.
Тщательно выбирая размеры и структуру этой «пирамиды», команда выяснила, что может увеличить более чем в два раза расстояние, которое электроны и дырки проводимости могут проходить в устройстве не рекомбинируя. Кроме того, исследователи планируют изучить свойства структур с большим углом наклона. Они ожидают, что такое изменение структуры позволит полностью поглощать все падающие фотоны, что даст пропорциональное увеличение генерируемого фототока.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.
Также по теме:
- Квантовые точки позволяют улучшить солнечные концентраторы
- Манипулирование светом при помощи плазмы
- Многослойный графен позволит создавать гибкие дисплеи
- Получена новая информация об интерференционных пленках
- Ученые рассчитали, как замедлить свет в наноразмерном волноводе
Источники: