بهبود کارایی پیل‌های خورشیدی با استفاده از نقاط کوانتومی

محققان آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر در کلرادو و دانشگاه کلرادو دریافته‌اند که تولید اکسیتون‌های چندگانه در نقاط کوانتومی سلنید سرب راحت‌تر از تولید این اکسیتون‌ها در سلنید سرب توده‌ای است. این یافته می‌تواند در بهبود بهره تبدیل انرژی خورشیدی در ابزارهای فتوولتائیک مفید باشد.

محققان آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر در کلرادو و دانشگاه کلرادو دریافته‌اند
که تولید اکسیتون‌های چندگانه در نقاط کوانتومی سلنید سرب راحت‌تر از تولید این
اکسیتون‌ها در سلنید سرب توده‌ای است. این یافته می‌تواند در بهبود بهره تبدیل
انرژی خورشیدی در ابزارهای فتوولتائیک مفید باشد.

یک فوتون منفرد با انرژی بالا که به یک ابزار فتوولتائیک برخورد می‌کند، می‌تواند
چندین اکسیتون (زوج الکترون-حفره) با انرژی پایین تولید کند. این پدیده در سامانه‌های
با محدودیت کوانتومی (مثل نقاط کوانتومی) اتفاق می‌افتد. پدیده مشابهی که در نیمه‌رساناهای
توده‌ای اتفاق می‌افتد، یونیزاسیون برخوردی نامیده شده و از آن برای افزایش کارایی
«فتودیودهای بهمنی» استفاده می‌شود. با این حال یونیزاسیون برخوردی آنقدر موثر نیست
که بتواند بهره تبدیل انرژی را در ابزارهای فتوولتائیک افزایش دهد.

آرت نوزیک از دانشگاه کلرادو می‌گوید «حامل‌های داغ» در پیل‌های خورشیدی می‌توانند
این مشکل را حل کنند. این حامل‌ها الکترون‌ها و حفراتی هستند که در اثر برخورد
فوتونی با مقدار انرژی بالاتر از شکاف باندی نیمه‌رسانا تولید می‌شوند.

اتلاف انرژی

در نیمه رساناهای توده‌ای این حامل‌های داغ به سرعت و در عرض چند پیکوثانیه سرد شده
و فونون‌ها (ارتعاشات شبکه بلور یا حرارت) را آزاد می‌کنند. در حقیقت این گرمای تلف
شده پنجاه درصد انرژی اتلافی را در پیل‌های خورشیدی امروزی تشکیل می‌دهد. این مشکل
از آنجا ناشی می‌شود که تابش خورشید شامل محدوده وسیعی از فوتون‌ها از ۳/۰ تا ۳
الکترون‌ولت است و در نتیجه انرژی برخی از این فوتون‌ها بیشتر از شکاف باندی بسیاری
از نیمه‌رساناهاست. اگر انرژی حامل‌های داغ قبل از تلف شدن به‌صورت گرما مورد
استفاده قرار بگیرد، کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی تا حد بسیار زیادی
افزایش می‌یابد. گروه نوزیک بر این باور است که نقاط کوانتومی می‌توانند در این
زمینه مفید باشند.

مت بیرد یکی از اعضای این گروه پژوهشی می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهند که فرایند
تولید اکسیتون‌های چندگانه (MEG) در نقاط کوانتومی نسبت به مواد توده‌ای بهتر صورت
می‌گیرد. اگر در مورد این پدیده بیشتر بدانیم، می توانیم موادی طراحی کنیم که بهره
تبدیل انرژی خورشیدی در آنها بالا باشد».

می‌توان نقاط کوانتومی را با روش‌های مختلفی درون پیل‌های خورشیدی استفاده کرد.
گروه نوزیک از فیلم نازکی از نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا به‌عنوان لایه فعال پیل
خورشیدی استفاده کردند.

جزئیات این کار در مجله Nano Letters منتشر شده است.