Goudlokje en de drie kwantumstippen: precies goed voor topprestaties van zonnepanelen

Wetenschappers in Australië hebben een proces ontwikkeld voor het berekenen van de perfecte grootte en dichtheid van kwantumstippen die nodig zijn om recordefficiëntie in zonnepanelen te bereiken.

Quantum dots, door de mens gemaakte nanokristallen die 100.000 keer dunner zijn dan een vel papier, kunnen worden gebruikt als lichtsensibilisatoren, die infrarood en zichtbaar licht absorberen en overbrengen naar andere moleculen.

Hierdoor zouden nieuwe typen zonnepanelen meer van het lichtspectrum kunnen opvangen en meer elektrische stroom kunnen genereren, via een proces van ‘lichtfusie’ dat bekend staat als fotochemische upconversie.

De onderzoekers, van het ARC Center of Excellence in Exciton Science, gebruikten in hun voorbeeld kwantumdots van loodsulfide. Het algoritme is gratis toegankelijk en hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nanoschaal.

Het is veelbetekenend dat bestaande upconversieresultaten die werden bereikt door testapparatuur organische sensibilisatoren gebruikten die niet werken met siliciumzonnecellen – momenteel het meest algemeen beschikbare type fotovoltaïsche technologie – vanwege hun onvermogen om een ​​groot deel van het infrarode deel van het lichtspectrum te absorberen.

Het gebruik van de juiste maat en dichtheid van kwantumdots van loodsulfide als sensibilisatoren zou niet alleen leiden tot efficiëntieverhogingen, maar ook compatibel zijn met bijna alle bestaande en geplande zonneceltechnologie.

Deze bevindingen geven aan dat als het gaat om de kwantumdotgrootte, het niet zo eenvoudig is als grotere betekenis beter.

Met behulp van een basistheorie lijkt een grotere kwantumdot in staat om meer kleuren van zonlicht of meer licht van een bepaalde golflengte vast te leggen, en in staat te zijn om een ​​apparaat met een hogere efficiëntie te creëren.

De onderzoekers hebben echter rekening gehouden met verschillende praktische beperkingen op de grootte van de kwantumdots.

Om het kleurengamma dat siliciumzonnecellen kunnen gebruiken uit te breiden, combineren onderzoekers twee stukjes licht met elkaar. Credit: overgenomen van Sherrie et al. Nanoschaal, 2020, Advance Article met toestemming van de Royal Society of Chemistry.

Het belangrijkste is dat het nabij-infrarode deel van zonlicht aan het aardoppervlak een gecompliceerde structuur heeft, beïnvloed door water in de atmosfeer en de hitte van de zon.

Dit betekent dat de kleur van de kwantumdot moet worden afgestemd op de pieken van zonlicht, zoals het aanpassen van een muziekinstrument tot een bepaalde toonhoogte.

Volgens de corresponderende auteur Dr. Laszlo Frazer toont het werk aan dat een compleet beeld van de omstandigheden die de prestaties van zonnecellen beïnvloeden, van de ster in het centrum van ons zonnestelsel tot deeltjes op nanoschaal, nodig is om een ​​maximale efficiëntie te bereiken.

“Dit hele ding vereist begrip van de zon, de atmosfeer, de zonnecel en de kwantumpunt”, zei hij.

Hoewel de verwachte efficiëntieverhogingen die door deze resultaten worden aangetoond, bescheiden blijven, zijn de potentiële voordelen aanzienlijk, aangezien ze in bijna alle zonne-energie-installaties kunnen worden gebruikt, ook die van silicium.

De volgende stap voor onderzoekers is het ontwerpen en creëren van emitters die de energie van de geoptimaliseerde quantum dot-sensibilisatoren het meest effectief zullen overdragen.

“Dit werk vertelt ons veel over het vangen van licht”, zei Laszlo.

“Het opnieuw vrijgeven is iets dat veel moet worden verbeterd. Er is hier zeker behoefte aan multidisciplinaire bijdragen.”

Auteur Benedicta Sherrie van Monash University zei: “Er moet meer worden gedaan aan het bouwen van prototypes van zonnecellen met deze sensibilisatoren (en hopelijk met de geschikte emitters), en om ze te testen.

“Ik hoop dat dit onderzoek de samenleving uiteindelijk in staat zal stellen om meer te vertrouwen op fotovoltaïsche zonne-energie die niet alleen efficiënt is, maar ook betaalbaar.”