«Этот подход с использованием квантовых точек показывает большие перспективы для нового типа недорогих солнечных элементов, не содержащих токсичных элементов, которые демонстрируют замечательную устойчивость к дефектам», – сказал Виктор Климов, физик, специализирующийся на полупроводниковых нанокристаллах из Лос-Аламоса и ведущий автор доклада. на обложке журнала Nature Energy.
Исследователи не только продемонстрировали высокоэффективные устройства, но и раскрыли механизм, лежащий в основе их замечательной стойкости к дефектам.
Вместо того, чтобы ухудшать фотоэлектрические характеристики, дефектные состояния в квантовых точках селенида индия меди фактически способствуют процессу фотопреобразования.
Квантовые точки уже нашли множество применений, и скоро их станет еще больше.
В частности, это очень эффективные излучатели света. Они отличаются от других типов светоизлучающих материалов, поскольку их цвет не фиксирован и может быть легко настроен путем регулировки размера квантовой точки. Это свойство использовалось в дисплеях и телевизорах, и вскоре оно поможет создавать более эффективные лампочки с регулируемым цветом.
Уникальная физика наноразмерных кристаллов полупроводников, полученных методом коллоидного синтеза, очаровывала ученых на протяжении десятилетий. Из-за их чрезвычайно малых размеров – несколько нанометров в поперечнике – свойствами нанокристаллов можно управлять на самом фундаментальном квантово-механическом уровне. Следовательно, их называют «квантовыми точками»."
Регулируемые по размеру свойства квантовых точек также могут помочь эффективно улавливать солнечный свет, что очень полезно для преобразования солнечной энергии. По эффективности современные солнечные элементы с квантовыми точками быстро приближаются к эффективности традиционных тонкопленочных фотоэлектрических элементов. Однако в большинстве случаев они содержат высокотоксичные тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий, что ограничивает их практическое применение.
Исследователи из Лос-Аламоса описали новые высокоэффективные солнечные элементы с квантовыми точками, не содержащие каких-либо токсичных элементов. Команда использовала реакцию меди, индия и селена с добавлением цинка, чтобы создать квантовые точки, легированные цинком.
Точки были внедрены в пустоты высокопористой пленки диоксида титана, служившей собирающим заряд электродом.
Падающие солнечные фотоны поглощались квантовыми точками, что приводило к высвобождению прочно связанных электронов в зону проводимости с высокой подвижностью. Эти электроны затем переносились на электрод из диоксида титана, который в конечном итоге создавал фототок.
«Мы были приятно удивлены результатами измерений наших устройств», – сказал Климов. «Из-за очень сложного состава (четыре элемента объединены в одной наноразмерной частице) эти точки подвержены дефектам. Несмотря на эти недостатки, они показали почти идеальную производительность в наших солнечных элементах – на каждые 100 поглощенных фотонов мы обнаружили 85 фотогенерированных электронов, что означает, что эффективность преобразования фотона в электрон составляла 85 процентов."
Высокая эффективность фотопреобразования в сочетании с замечательной устойчивостью к дефектам и составом, не содержащим токсичных элементов, делают эти квантовые точки очень перспективными материалами для реализации недорогих, легко масштабируемых и потенциально одноразовых солнечных элементов.