Zonnige toekomst voor Nanokristal zonnecellen

Zonnige toekomst voor Nanokristal zonnecellen

Anonim

Stelt u zich een toekomst voor waarin de daken van woningen en commerciële gebouwen kunnen worden gelamineerd met goedkope, ultradunne films van nanogrootte halfgeleiders die zonlicht efficiënt omzetten in elektrische stroom en vrijwel al onze elektriciteitsbehoeften voorzien. Deze toekomst is een stap dichter bij de realisatie, dankzij een wetenschappelijke mijlpaal bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Image

Afbeelding hierboven: deze afbeelding, die werd geproduceerd met behulp van scanning-elektronenmicroscopie, toont een typische spin-cast film van nanokristal zonnecellen die homogeen en defectvrij is. De filmrand van deze film van 100 nanometer wordt getoond voor contrast met het siliciumsubstraat.

Onderzoekers van Berkeley Lab en de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben de eerste ultradunne zonnecellen ontwikkeld die volledig uit anorganische nanokristallen bestaan ​​en spin-cast uit oplossing. Deze dubbele nanokristal zonnecellen zijn net zo goedkoop en gemakkelijk te maken als zonnecellen gemaakt van organische polymeren en bieden het extra voordeel dat ze stabiel in de lucht zijn omdat ze geen organische materialen bevatten.

"Onze colloïdale anorganische nanokristallen delen alle primaire voordelen van organische stoffen - schaalbare en gecontroleerde synthese, het vermogen om in oplossing te worden verwerkt en een verminderde gevoeligheid voor substitutie-dotering - met behoud van de breedbandabsorptie en superieure transporteigenschappen van traditionele fotovoltaïsche halfgeleiders, " zei Ilan Gur, een onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en vierdejaars afgestudeerd aan de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley.

Gur is de hoofdauteur van een artikel in het tijdschrift Science van 21 oktober dat deze nieuwe ontwikkeling aankondigt. Hij is een promovendus in de onderzoeksgroep van Paul Alivisatos, directeur van de afdeling Materials Sciences van Berkeley Lab, en professor in de chemie en materiaalwetenschappen aan UC Berkeley. Alivisatos is een toonaangevende autoriteit op het gebied van nanokristallen en co-auteur van het Science-artikel. Andere co-auteurs zijn Neil A. Fromer van Berkeley Lab en Michael Geier van UC Berkeley.

In dit artikel beschrijven de onderzoekers een techniek waarbij staafvormige nanometer-vormige kristallen van twee halfgeleiders, cadmium-selenide (CdSe) en cadmium-telluride (CdTe), afzonderlijk werden gesynthetiseerd en vervolgens in oplossing werden opgelost en spin-gegoten op een geleidende glazen substraat. De resulterende films, die ongeveer 1000 keer dunner waren dan een mensenhaar, vertoonden efficiënties voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit van ongeveer 3 procent. Dit is vergelijkbaar met de conversie-efficiëntie van de beste organische zonnecellen, maar nog steeds aanzienlijk lager dan conventionele dunne silicium zonnecellen.

"We hebben duidelijk nog een lange weg te gaan op het gebied van energieconversie-efficiëntie, " zei Gur, "maar onze dubbele nanokristal zonnecellen zijn ultradun en oplossingsgericht, wat betekent dat ze het kostenbesparingspotentieel behouden dat organisch heeft gemaakt cellen zo aantrekkelijk ten opzichte van hun conventionele tegenhangers van halfgeleiders. "

Zoals elke consument in dit land zich pijnlijk bewust is, stijgen de kosten van fossiele brandstoffen. Van stijgende prijzen bij benzinepompen tot smeltende poolijskappen, de boodschap is luid en duidelijk: er moeten alternatieve energiebronnen worden gevonden. Zonne-energie is in veel opzichten een ideale keuze. Als een bron is het overvloedig - de zon schijnt elke dag ongeveer 1.000 watt energie per vierkante meter van het oppervlak van de planeet - en zou de levensduur van onze planeet duren. Het zou geen vervuilende stoffen aan de atmosfeer toevoegen, niets bijdragen aan de wereldwijde klimaatverandering en is gratis. De kosten komen binnen wanneer zonne-energie wordt omgezet in elektrische energie.

De meeste commerciële zonnecellen zijn tegenwoordig gemaakt van silicium. Net als veel conventionele halfgeleiders biedt silicium uitstekende, gevestigde elektronische eigenschappen. Het gebruik van silicium of andere conventionele halfgeleiders in fotovoltaïsche apparaten is tot op heden echter beperkt door de hoge productiekosten - zelfs de fabricage van de eenvoudigste halfgeleidercel is een complex proces dat moet plaatsvinden onder exact gecontroleerde omstandigheden, zoals hoge vacuüm en temperaturen tussen 400 en 1.400 graden Celsius.

Toen in 1977 werd ontdekt dat een bepaalde groep "geconjugeerde" organische polymeren kon worden gemaakt om elektriciteit te geleiden, was er onmiddellijk belangstelling voor het gebruik van deze materialen in fotovoltaïsche apparaten. Hoewel werd aangetoond dat plastic zonnecellen in bulkhoeveelheden voor een paar cent per stuk konden worden gemaakt, is de efficiëntie waarmee deze apparaten licht in elektriciteit hebben omgezet altijd slecht geweest in vergelijking met de energieconversie-efficiëntie van cellen gemaakt van halfgeleiders. In 2002 kondigden Alivisatos en leden van zijn onderzoeksgroep een doorbraak aan waarin ze hybride zonnecellen konden maken uit organische polymeren en CdSe. Hoewel deze hybriden enkele van de beste eigenschappen van halfgeleider- en plastic zonnecellen bieden, blijven ze gevoelig voor lucht omdat ze organische stoffen bevatten.

"De afgelopen jaren is theoretisch geanticipeerd op een zonnecel die uitsluitend op colloïdale nanokristallen steunt", aldus Alivisatos. "We hebben nu een dergelijk apparaat gedemonstreerd en hebben een mechanisme voor de werking ervan gepresenteerd."

In tegenstelling tot conventionele halfgeleiderzonnecellen, waarin een elektrische stroom tussen lagen van n-type en p-type halfgeleiderfilms stroomt, met deze nieuwe anorganische nanokristal zonnecellen, stroomt stroom door een paar moleculen die dienen als donoren en receptoren van elektrische ladingen, ook bekend als een donor-acceptor heterojunctie. Dit is hetzelfde mechanisme waarmee stroom stroomt in plastic zonnecellen.

"Omdat onze anorganische nanokristalzonnecellen voornamelijk lijken te werken op basis van het donor-acceptor heterojunction-model dat typerend is voor organische systemen, helpen ze ons de specifieke materiaaleigenschappen die nodig zijn om dergelijke apparaten te maken beter te begrijpen, " zei Gur. "Dit werk verduidelijkt ook enkele belangrijke overeenkomsten tussen polymeer- en nanokristalfilms."

De CdSe- en CdTe-films zijn elektrische isolatoren in het donker, maar ondergaan bij blootstelling aan zonlicht een dramatische toename van de elektrische geleidbaarheid, maar liefst drie ordes van grootte. Het sinteren van de nanokristallen bleek de prestaties van deze films aanzienlijk te verbeteren. In tegenstelling tot plastic zonnecellen, waarvan de prestaties na verloop van tijd verslechteren, lijkt veroudering de prestaties van deze anorganische nanokristal zonnecellen te verbeteren.

"De volgende stap is dat we ons prototypische systeem beter karakteriseren en verder ontwikkelen, omdat er nog steeds veel is dat we niet volledig begrijpen, " zei Gur. "Daarna hebben we veel richtingen die we willen volgen, zoals het introduceren van variaties in de systeemarchitectuur en onze keuze van halfgeleidermaterialen."

Volgens de Energy Foundation zouden de beschikbare residentiële en commerciële daken in dit land worden bedekt met dunne zonnecelfilms, ze naar schatting 710.000 megawatt elektriciteit in de Verenigde Staten kunnen leveren, wat meer dan driekwart van alle elektriciteit die dit land momenteel kan opwekken. Vanwege zijn gunstige zonlichtniveaus wordt Californië beschouwd als een uitstekende kandidaat voor deze technologie.

Soruce: Berkeley Lab