La captura de un arco iris - la nanotecnología puntos cuánticos ilumina las perspectivas de la energía solar

Aprovechar el poder del sol para sustituir el uso de combustibles fósiles representa una enorme promesa. Una forma de hacerlo es mediante el uso de células solares o fotovoltaicas. Instalación a gran escala ya muestran la viabilidad técnica de esta tecnología, aunque el principal problema de la energía solar fotovoltaica - su relativa ineficacia - todavía tiene que superar para hacer que el coste de la electricidad producida por las células solares o menos igual que la electricidad producida por nucleares o fósiles los combustibles. Hasta ahora, las células solares que convierten la luz solar en energía eléctrica han estado dominados por los dispositivos de salida de estado sólido, a menudo hecha de obleas de silicio. Se están realizando esfuerzos en los laboratorios de todo el mundo para diseñar las asambleas ordenada de nanoestructuras de semiconductores, nanopartículas metálicas y nanotubos de carbono para la construcción de próxima generación de dispositivos de conversión de energía solar.
Los puntos cuánticos se han identificado como un importante material para la construcción de la recolección de luz de células solares de alta eficiencia. Los puntos cuánticos son estructuras de semiconductores a nanoescala que, cuando se expone a la luz de ciertas longitudes de onda, puede generar electrones libres y crear una corriente eléctrica. La tecnología de puntos cuánticos constituye un apasionante campo de la investigación en energía solar, sin embargo, los resultados de la investigación real para usarlos en las células solares son relativamente limitados.
Mediante la combinación de técnicas espectroscópicas y photoelectrochemical, ahora los investigadores han demostrado el tamaño de la inyección de carga depende de diferentes tamaños seleniuro de cadmio (CdSe) puntos cuánticos dióxido de titanio en nanopartículas y nanotubos, que muestra una manera de maximizar la absorción de la luz de punto cuántico basado en células solares. Denominado «arco iris de las células solares", estas próxima generación de células solares consisten en puntos cuánticos de diferentes tamaños se reunieron en una manera ordenada. Así como un arco iris muestra múltiples colores del espectro de luz visible, el arco iris de la célula solar "tiene el potencial de absorber de forma simultánea varias longitudes de onda de la luz y convertirla en electricidad de una manera muy eficiente.
"Una de las cosas más importantes que mostrar en nuestro estudio es que se puede utilizar el mismo material (en este caso, seleniuro de cadmio puntos cuánticos) para recoger la luz en gran parte del espectro solar" Dr. Prashant V. Kamat dice Nanowerk. "Porque el sol emite luz a una variedad de longitudes de onda, es importante ser capaz de reunir tantas de esas longitudes de onda como sea posible para maximizar la eficiencia de células solares. Cadmio seleniuro de puntos cuánticos han sabido de largo para recoger la luz en longitudes de onda múltiples, y tienen También han sido utilizados anteriormente en las células solares. Sin embargo, este es el primer estudio que compara directamente la forma de diferentes tamaños puntos cuánticos, que absorben diferentes longitudes de onda realizar cuando se incorporen a las células solares ".
Kamat, un profesor de Química y Bioquímica en la Universidad de Notre Dame en Indiana, y científicos de alto nivel de radiación en la universidad de laboratorio, y su equipo encontraron que los puntos cuánticos más pequeños (el menor absorción de longitudes de onda del espectro solar) realizar las mejores porque se mueven electrones a través de la célula (es decir, crear corrientes) al ritmo más rápido.

Izquierda: los espectros de acción fotocorriente registrado en términos de fotones incidentes a cargo eficiencia de la generación portador (IPCE), de electrodos ópticamente transparente / nanopartículas de dióxido de titanio / electrodos CdSe. Las respuestas individuales corresponden a IPCE (un 3,7), (b) 3.0, (c) 2.6, y (d) 2,3 nm de diámetro cuántica CdSe puntos anclados en las películas de TiO2 nanoestructurados. Derecha: Diagrama esquemático que ilustra los niveles de energía de diferentes tamaños puntos cuánticos CdSe y TiO2 (Foto: Dr. Kamat, de la Universidad de Notre Dame)
Este trabajo, publicado en el 1 de marzo 2008 edición online de la revista de la American Chemical Society ( "Quantum Dot células solares. Fotorrespuesta Tuning a través de Tamaño y forma de control de CdSe-TiO2 Arquitectura"), tanto de los avances de la comprensión general de la naturaleza de los puntos cuánticos, así como proporciona información sobre cómo se puede construir una celda de una mejor solar. Conclusiones Kamat son tres:
Material CdSe • La capacidad para ajustar la respuesta y la eficiencia photoelectrochemical fotoconversión a través de controlar el tamaño de los puntos cuánticos CdSe (aunque el equipo Kamat emplea mismo que el de absorción de luz, selección de tamaño en la región de 2.8 nm, que les permite ajustar selectivamente la respuesta fotocorriente en el región visible).
• Una mejora en la foto de la eficiencia de conversión al facilitar el transporte de carga a través de una arquitectura de nanotubos de dióxido de titanio. Los investigadores de Notre Dame han logrado un fotón incidente a la eficiencia compañía encargada de conversión o la eficiencia cuántica acerca al 50% a través de su quantum CdSe punto - la arquitectura de nanotubos de TiO2. • Sentar las bases para la construcción de lo que ellos llaman un "arco iris de la célula solar" por identificación de los puntos fuertes del tamaño de los puntos cuánticos selectiva y la capacidad de modular el perfil de absorción de la célula solar.

Kamat nos dice que su grupo estaba motivado para realizar este trabajo por dos razones específicas. "En primer lugar, como un grupo de investigación que reconocemos la promesa científica que ofrecen los puntos cuánticos, y están interesados en estudiar sus propiedades y agregar a un cuerpo creciente de investigación que intenta comprender mejor tanto su comportamiento físico y encontrar nuevos usos en un intento de mejorar la vida diaria de una persona promedio.
"En segundo lugar, estamos interesados en sentar las bases de la célula solar de la mejor manera posible. Como un grupo de investigación, somos conscientes de la creciente crisis energética y la necesidad para el avance de formas alternativas de energía en el futuro cercano. El grupo de investigación conjunto de Notre Dame se enorgullece de estar trabajando en un problema - la mejora de células solares - que la sociedad necesita resolver ahora más que nunca ".
Según Kamat, la aplicación directa de este trabajo es la creación de la célula solar más eficiente posible. Para hacer esto, los investigadores necesitan para lograr tres cosas:
1) recoger la mayor cantidad del espectro solar como sea posible (a cabo aquí mediante el uso de múltiples tamaños de puntos cuánticos);
2) Asegúrese de que una vez que esta luz es absorbida que se convierte en electrones en movimiento (separación de cargo), y
3) Una vez creados los electrones, asegúrese de que tienen la capacidad de moverse libremente (transporte de carga) a través de la célula que crea la corriente eléctrica.
"Mientras que los tres de estos pasos debe estar presente para crear la célula solar de la mejor manera posible, muchas veces los investigadores estudian cada paso por separado para aislar y mejorar posibles problemas, con la esperanza de poder incorporar estas mejoras en una célula solar de futuro", dice Kamat . "Una forma en que nuestros hallazgos mejorar la condición de tercero era mediante la utilización de un tubular base de dióxido de titanio en lugar de una base esférica dióxido de titanio. Esta avanzada arquitectura permite a los electrones generados por los puntos cuánticos para viajar más libremente dentro de la célula porque dispone de un tubo de una vía directa para el viaje alargada de electrones mientras que múltiples esferas permiso de viaje de electrones sólo si el electrón "salta" entre ellos, lo que podría frenar el transporte de electrones y obstaculizan la eficiencia general de la celda. "
Kamat dice que, si bien la construcción de este tipo de generación de células solares está todavía en obras - su equipo está afinando la ingeniería detrás de la construcción - el marco teórico detrás de esta tecnología es claro: "Con el uso de puntos cuánticos como amortiguadores de la luz solar, la fabricación de "arco iris células solares" está en el horizonte. "
Anteriormente hemos informado sobre el trabajo Kamat en nanoestructurados células solares en un primer plano el año pasado - los nanotubos de carbono se puede duplicar la eficiencia de photoelectrochemical células solares.