...

Kropki kwantowe – więcej mocy z jednego fotonu

8 września 2022
Kropki kwantowe – więcej mocy z jednego fotonu

Kropki kwantowe (QD) to stworzone przez człowieka kryształy w nanoskali. Kropka kwantowa (QD) lub półprzewodnikowy nanokryształ (NC) to pojedynczy kryształ materiału półprzewodnikowego o średnicy zaledwie kilku nanometrów. Gdy pada na niego światło – foton – następuje wzbudzenie. Niewielki rozmiar kryształu działa jak pudełko kwantowe i zamyka elektrony i dziury w objętości mniejszej niż odpowiedni promień ekscytonu Bohra (promień orbity elektronu w atomie wodoru). Im mniejsza kropka, tym większa energia uwięzienia i wyższa energia fotonów, które są pochłaniane lub emitowane.

Światło pojawia się w pakietach energii znanych jako fotony. Kiedy półprzewodnik pochłania foton, energia elektromagnetyczna jest przenoszona na ujemnie naładowany elektron i jego dodatnio naładowany odpowiednik, zwany dziurą. Pole elektryczne może transportować te cząstki w przeciwnych kierunkach, umożliwiając w ten sposób przepływ prądu. To jest podstawowa operacja ogniwa słonecznego. Może wydawać się to proste, ale optymalizacja wydajności kwantowej lub uzyskanie jak największej liczby par elektron-dziura z nadchodzących fotonów było od dawna celem prac wielu zespołów naukowców.

Kropki kwantowe w fotowoltaice

Atrakcyjność wykorzystania kropek kwantowych do produkcji ogniw słonecznych wynika z kilku zalet w porównaniu z innymi technologiami ogniw: kropki te mogą być wytwarzane w energooszczędnym procesie w temperaturze pokojowej; mogą być wykonane z obfitych, niedrogich materiałów, które nie wymagają intensywnego oczyszczania tak jak w przypadku krzemu; mogą być umieszczane na różnych niedrogich, także elastycznych podłożach takich jak lekkie tworzywa sztuczne lub folie.

Perowskity

Termin perowskit odnosi się do minerału tlenku wapniowo-tytanowego o wzorze chemicznym CaTiO3. Terminy „perowskit” i „struktura perowskitu” są często używane tak, jakby były wymienne, podczas gdy w rzeczywistości prawdziwy perowskit (minerał występujący w naturze) składa się z wapnia, tytanu i tlenu w postaci CaTiO3, a struktura perowskitu to wszystko, co ma ogólną formę ABX3 i taką samą strukturę krystalograficzną jak perowskit (minerał). W strukturze perowskitu A i B to dwa kationy o bardzo różnych rozmiarach, a X jest anionem, który łączy się z obydwoma. Gustav Rose odkrył perowskit na rosyjskim Uralu w 1839 r. i nazwał go na cześć rosyjskiego mineraloga Lwa Perowskiego (1792–1856). W tej strukturze można osadzić wiele różnych kationów, co umożliwia opracowywanie różnorodnych materiałów inżynierskich.

Jak materiały perowskitowe odnoszą się do przemysłu kropek kwantowych?

Kropki kwantowe perowskitu to półprzewodnikowe nanokryształy. Obecnie opracowywana jest nowa klasa kropek kwantowych, oparta na półprzewodnikowych materiałach (strukturach) perowskitowych. Gdy rozmiar kryształów halogenkowych perowskitu zmniejsza się i osiąga skalę nanometrów, zaczynają one wykazywać kwantowe ograniczenie i fotoluminescencję. Te nanokryształy (kropki kwantowe) mają wyjątkową wydajność fotoluminescencyjną – do 100%(wydajność kwantowa fotoluminescencji lub PLQY cząsteczki lub materiału jest definiowana jako ułamek liczby wyemitowanych fotonów do liczby zaabsorbowanych fotonów).

Konwersja światła na moc w nanocząsteczkach

Dzięki syntezie materiału półprzewodnikowego zawierającego nanocząsteczki na bazie cyny – kropki kwantowe – międzynarodowy zespół naukowców z Zakładu Fizyki Stosowanej Politechniki w Hongkongu osiągnął imponującą konwersję światła na moc. Nanomateriały oferują sposób na uzyskanie wielu ładunków elektrycznych z każdego fotonu zaabsorbowanego przez ogniwo słoneczne. Drobne kryształy – kropki kwantowe – umożliwiły międzynarodowemu zespołowi osiągnięcie wydajności kwantowej przekraczającej 100% konwersji fotoprądu generowanego w hybrydowym nieorganiczno-organicznym półprzewodniku. Kropki kwantowe (QD) to półprzewodnikowe nanocząsteczki o rozmiarze mniejszym niż 10 nm.

Nanomateriały

Perowskity są ekscytującymi półprzewodnikami do zastosowań związanych z pozyskiwaniem światła i już wykazały imponujące osiągi w ogniwach słonecznych. Poprawa wydajności konwersji światła jest jednak konieczna, aby wprowadzić tę technologię na szerszy rynek. Jedną z przyczyn nieefektywności jest to, że jeśli foton ma więcej energii, niż potrzeba do wytworzenia pary elektron-dziura, nadwyżka energii jest zwykle tracona w postaci ciepła. Rozwiązaniem są nanomateriały. Małe cząstki, takie jak nanokryształy lub kropki kwantowe, mogą przekształcać wysokoenergetyczne fotony w więcej niż jedną parę elektron-dziura.

Jun Yin i Omar Mohammed z KAUST z Yifanem Chenem i Mingjie Li z Hong Kong Polytechnic University i zespołem zademonstrowali generację MEG (generowanie więcej niż jednego ekscytonu z absorpcji pojedynczego fotonu) ekscytonów (kwazicząsteczek powstałych w wyniku korelacji elektronu i dziury pod wpływem siły Coulomba) w nanokryształach perowskitu z halogenku cyny i ołowiu. – Wykazaliśmy wydajność kwantową fotoprądu przekraczającą 100% konwersji, wykorzystując MEG w urządzeniach nanokrystalicznych perowskitu – mówi Yin.

Chen, Yin i zespół zsyntetyzowali materiał półprzewodnikowy złożony z maleńkich cząstek perowskitu formamidyniowo-cyno-jodkowo-ołowiowego – wykonany z niewielkich ilości cyny – osadzony w cząsteczce FAPbI3. Zespół uważa, że wprowadzenie cyny pomaga spowolnić chłodzenie. – Będziemy w stanie dalej zoptymalizować nanokryształ perowskitu, zmieniając jego skład, aby uzyskać wyższą wydajność MEG i poprawić konwersję światła na moc – mówi Yin.

Fiolki kropek kwantowych dające żywe kolory. Przykładowo kropka kwantowa na bazie kadmu, która wykazuje czystą, bardzo specyficzną odpowiedź koloru zielonego (zdjęcie: NASA)

Żródła: KAUST Discovery, Nano Werk, Ossila.

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika