Kropki kwantowe przyspieszą przełom w produkcji perowskitowych ogniw słonecznych

Kropki kwantowe pozwoliły międzynarodowemu zespołowi naukowców na osiągnięcie wydajności kwantowej przekraczającej 100% w hybrydowym półprzewodniku nieorganiczno-organicznym. To oznacza jeszcze lepsze ogniwa fotowoltaiczne.
Nadchodzą jeszcze lepsze perowskitowe ogniwa słoneczne?
Nadchodzą jeszcze lepsze perowskitowe ogniwa słoneczne?

Perowskity to grupa niezwykłych minerałów zbudowanych z nieorganicznych związków chemicznych o ogólnym wzorze ABX3, gdzie A oznacza kation metalu z grupy litowców lub berylowców, B kation o licznie koordynacyjnej równej 6, X anio tlenkowy O2-. Nazwa grupy związków pochodzi od najsłynniejszego przedstawiciela grupy – perowskitu (tytanianu(IV) wapnia, CaTiO3).

Perowskity już teraz są stosowane w produkcji ogniw fotowoltaicznych, jednak do pełnej komercjalizacji konieczna jest poprawa wydajności fotokonwersji.

Jak zoptymalizować ogniwo słoneczne?

Nośnikami promieniowania elektromagnetycznego są fotony. Gdy półprzewodnik absorbuje foton, energia elektromagnetyczna jest przenoszona na ujemnie naładowany elektron i jego dodatnio naładowany odpowiednik, tzw. dziurę elektronową. Pole elektryczne może przemieścić te cząstki w przeciwnych kierunkach, umożliwiając w ten sposób przepływ prądu. To podstawowy opis działania ogniwa fotowoltaicznego. Optymalizacja wydajności kwantowej, czyli uzyskanie jak największej liczby par elektron-dziura z przychodzących fotonów, jest głównym celem inżynierów z całego świata.

Czytaj też: Perowskity idą na rekord. Czas na pierwsze ogniwo, które przekroczy wieloletnią granicę

Jedną z przyczyn braku wydajności jest to, że jeśli foton ma więcej energii niż potrzeba do stworzenia pary elektron-dziura, nadmiar energii jest zwykle tracony w postaci ciepła. Z pomocą nadchodzą nanomateriały, nanokryształy lub kropki kwantowe, które mogą przekształcać wysokoenergetyczne fotony w więcej niż jedną parę elektron-dziura.

Jun Yin i Omar Mohammed z KAUST zademonstrowali tzw. wielokrotne generowanie ekscytonów (MEG) w nanokryształach perowskitu halogenków cyny i ołowiu.

Wykazaliśmy wydajność kwantową fotoprądu przekraczającą 100 procent dzięki wykorzystaniu MEG w urządzeniach z nanokryształami perowskitu.Jun Yin

W przeszłości MEG obserwowano w nanokryształach perowskitu o dużej przerwie pasmowej, czyli tych półprzewodnikach, które mogą absorbować tylko wysokoenergetyczne fotony.

Wydajne MEG w wąskopasmowych nanokryształach perowskitowych i ich weryfikacja w praktycznych urządzeniach optycznych nie zostały zgłoszone.Jun Yin

Naukowcy zsyntetyzowali materiał półprzewodzący składający się z maleńkich cząstek perowskitu formamidynu cynowo-ołowiowego, wytworzonego przy użyciu niewielkich ilości cyny, osadzonych w bezcynowych FAPbI3.

Będziemy mogli dalej optymalizować nanokryształ perowskitu poprzez zmianę jego składu, aby uzyskać wyższą wydajność MEG i poprawić konwersję światła na moc.Jun Yin

Więcej na ten temat można przeczytać w Nature Photonics.