الخلية الشمسية نقطة الكم

الخلية الشمسية ذات النقاط الكمومية (QDSC) هي عبارة عن تصميم خلية شمسية تستخدم النقاط الكمومية كمواد فوتوفلطية ماصة. انها تحاول استبدال المواد السائبة مثل السيليكون ، سيلينيد الغاليوم الإنديوم النحاس (CIGS) أو CdTe. تحتوي النقاط الكمومية على فجوة في النطاقات يمكن ضبطها عبر نطاق واسع من مستويات الطاقة عن طريق تغيير حجمها. في المواد السائبة ، يتم تحديد فجوة نطاقها باختيار المواد (المواد). تجعل هذه الخاصية النقاط الكمومية جذابة للخلايا الشمسية متعددة الوصلات ، حيث تستخدم مجموعة متنوعة من المواد لتحسين الكفاءة من خلال حصاد أجزاء متعددة من الطيف الشمسي.

اعتبارا من عام 2016 ، تتجاوز الكفاءة 10 ٪.

خلفية

مفاهيم الخلايا الشمسية
في الخلية الشمسية التقليدية ، يتم امتصاص الضوء بواسطة أشباه الموصلات ، لإنتاج زوج ثقب إلكترون (eh) ؛ قد يتم تقييد الزوج ويشار إليه باسم exciton. يتم فصل هذا الزوج عن طريق حقل كهربائي داخلي (موجود في الوصلات الصنعية أو صمامات شوتكي الثنائية) ويولد التدفق الناتج من الإلكترونات والثقوب تيارًا كهربائيًا. يتم إنشاء الحقل الكهربائي الداخلي عن طريق شطف جزء واحد من واجهة أشباه الموصلات مع الذرات التي تعمل كمتبرعات إلكترون (n- نوع doping) وآخر مع مستقبلات الإلكترون (p-type doping) التي ينتج عنها تقاطع pn. جيل من زوج eh يتطلب أن الفوتونات لديها طاقة تتجاوز فجوة نطاق المادة. على نحو فعال ، لا يتم امتصاص الفوتونات ذات الطاقات الأقل من فجوة نطاقها ، في حين أن الفوتونات ذات القدرة العالية يمكن أن تتم بسرعة (خلال حوالي 10−13 ثانية) من الحرارة إلى حواف النطاق ، مما يقلل من الإنتاج. الحد السابق يقلل من التيار ، في حين أن عملية التخفيف من الحرارة تقلل الجهد. نتيجة لذلك ، تعاني خلايا أشباه الموصلات من مفاضلة بين الجهد والتيار (والتي يمكن تخفيفها جزئياً باستخدام تطبيقات التوصيل متعددة). يبين حساب الرصيد المفصل أن هذه الكفاءة لا يمكن أن تتجاوز 31٪ إذا استخدمنا مادة واحدة لخلية شمسية.

يبين التحليل العددي أن الكفاءة بنسبة 31٪ يتم تحقيقها باستخدام فجوة نطاق تتراوح بين 1.3 إلى 1.4 فولت ، والتي تقابل الضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء القريب. تقترب هذه الفجوة من السليكون (1.1 فولت) ، وهو أحد الأسباب الكثيرة التي تهيمن على السيليكون في السوق. ومع ذلك ، تقتصر كفاءة السيليكون على حوالي 29 ٪. من الممكن تحسين خلية الوصلة الواحدة عن طريق تجميع الخلايا بشكل عمودي مع خطوط نطاق مختلفة – يطلق عليها “ترادفي” أو “نهج متعدد الوصلات”. يظهر نفس التحليل أنه يجب أن تحتوي خلية من طبقتين على طبقة واحدة مضبوطة إلى 1.64 eV والأخرى إلى 0.94 eV ، مما يوفر أداءً نظريًا بنسبة 44٪. يجب ضبط خلية من ثلاث طبقات إلى 1.83 ، 1.16 و 0.71 فولت ، مع كفاءة 48٪. ستكون لخلية “الطبقة اللانهائية” كفاءة نظرية بنسبة 86٪ ، مع وجود آليات أخرى لفقدان الديناميكا الحرارية تمثل الباقي.

طرق تحضير السيليكون التقليدية (البلورية) لا تصلح لهذا النهج بسبب عدم وجود قابلية الانضباط ذات فجوة الحزمة. يمكن للأغشية الرقيقة من السيليكون غير المتبلور ، والتي يمكن أن تؤدي إلى متطلبات استرخاء في الحفاظ على قوة الدفع البلورية ، تحقيق فجوات نطاقية مباشرة واختلاط الكربون ، أن تضبط فجوة نطاقها ، لكن هناك مشكلات أخرى حالت دون تطابقها مع أداء الخلايا التقليدية. وتستند معظم هياكل الخلايا الترادفية إلى أشباه موصلات ذات أداء أعلى ، ولا سيما أرسينيد الغاليوم الإنديوم (InGaAs). تحتفظ خلايا InGaAs / GaAs / InGaP ثلاثية الطبقات (ذات فجوات النطاق 0.94 / 1.42 / 1.89 eV) بسجل كفاءة يبلغ 42.3٪ للأمثلة التجريبية.

ومع ذلك ، فإن QDSCs تعاني من ضعف امتصاص ومساهمة امتصاص الضوء في درجة حرارة الغرفة هامشية. يمكن معالجة هذا عن طريق استخدام nanostars الاتحاد الافريقي متعددة العصابات.

النقاط الكمومية
النقاط الكمومية هي جسيمات شبه موصلة تم تخفيضها إلى ما دون حجم دائرة نصف قطرها “استيتون بور” وبسبب اعتبارات ميكانيكا الكَمّ ، فإن طاقات الإلكترونات التي يمكن أن توجد داخلها تصبح محدودة ، مثل الكثير من الطاقات في الذرة. وقد يشار إلى النقاط الكمومية باسم “الذرات الاصطناعية”. يتم ضبط مستويات الطاقة هذه عن طريق تغيير حجمها ، والذي يحدد بدوره فجوة نطاقها. يمكن أن تزرع النقاط عبر مجموعة من الأحجام ، مما يسمح لها بالتعبير عن مجموعة متنوعة من خطوط التردد دون تغيير المواد الأساسية أو تقنيات البناء. في مستحضرات كيميائية رطبة نموذجية ، يتم تحقيق التوليف عن طريق تغيير مدة التوليف أو درجة الحرارة.

القدرة على لضبط فجوة نطاقها يجعل النقاط الكمومية مرغوبة للخلايا الشمسية. تحتوي تطبيقات التوصيل المفرد باستخدام نقاط الكم الغروية (PbS) الغروانية للرصاص على فجوات يمكن ضبطها في الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، وهي ترددات يصعب تحقيقها عادة مع الخلايا الشمسية التقليدية. نصف الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض هي في الأشعة تحت الحمراء ، ومعظمها في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء. تجعل الخلية الشمسية نقطة الكم طاقة الأشعة تحت الحمراء كما يمكن الوصول إليها مثل أي دولة أخرى.

علاوة على ذلك ، يوفر CQD تركيبًا وتحضيرًا سهلاً. في حين يتم تعليقها في شكل سائل غرواني يمكن التعامل معها بسهولة في جميع مراحل الإنتاج ، مع وجود الإيقاعات باعتبارها المعدات الأكثر تعقيدا. عادة ما يتم تصنيع CQD على دفعات صغيرة ، ولكن يمكن إنتاجها بكميات كبيرة. يمكن توزيع النقاط على طبقة سفلية بطبقة تدور ، إما باليد أو في عملية آلية. يمكن أن يستخدم الإنتاج على نطاق واسع أنظمة الرش أو الطباعة ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف بناء الوحدة.

إنتاج
استخدمت الأمثلة المبكرة عمليات تكاثر الحزمة الجزيئية المكلفة. ومع ذلك ، فإن عدم التوافق الشبكي يؤدي إلى تراكم السلالة وبالتالي توليد العيوب ، مما يحد من عدد الطبقات المكدسة. تُظهِر تقنية النمو المفاجئ للقطرات مزاياها في تصنيع QDs الخالية من السلالة. بدلا من ذلك ، وضعت أساليب تصنيع أقل تكلفة في وقت لاحق. هذه تستخدم الكيمياء الرطبة (ل CQD) ومعالجة الحل اللاحقة. يتم تثبيت حلول الجسيمات النانوية المركزة بواسطة بروابط هيدروكربونية طويلة تعمل على إبقاء البلورات النانوية معلقة في المحلول.

ولإيجاد مادة صلبة ، يتم إسقاط هذه الحلول [التوضيح المطلوب] واستبدال الترابطات الطويلة للاستقرار بسلسلة متصالبة قصيرة السلسلة. الهندسة الكيميائية يمكن للسطح النانوي البلوري أن يعمل بشكل أفضل على تخليق البلورات النانوية وتقليل حالات المصيدة الضارة التي من شأنها أن تقلل من أداء الجهاز عن طريق إعادة تركيب الناقل. [توضيح ضروري] ينتج هذا الأسلوب كفاءة بنسبة 7.0٪.

تستخدم دراسة حديثة أكثر بروابط مختلفة لوظائف مختلفة عن طريق ضبط محاذاة النطاق النسبي لتحسين الأداء إلى 8.6٪. تمت معالجة الخلايا في الهواء في درجة حرارة الغرفة وعرضت استقرار الهواء لأكثر من 150 يومًا دون تغليف.

في عام 2014 ، تم إدخال استخدام اليوديد كجاردة لا تربط الأوكسجين. هذا يحافظ على طبقات n و p-type ثابتة ، مما يعزز كفاءة الامتصاص ، والتي تنتج كفاءة تحويل الطاقة حتى 8٪.

التاريخ
وقد لاحظت بورنهام ودوغان في عام 1990 فكرة استخدام النقاط الكمومية كمسار لتحقيق كفاءة عالية. وفي ذلك الوقت ، كان علم النقاط الكمومية أو “الآبار” كما كانت معروفة ، في مهدها ، وكانت الأمثلة المبكرة فقط تصبح متاحة.

جهود DSSC
وهناك تصميم خلية حديث آخر هو الخلية الشمسية التي تحسس الصبغة أو DSSC. تستخدم DSSCs طبقة تشبه الاسفنجة من TiO
2 كصمام أشباه الموصلات وكذلك هيكل الدعم الميكانيكي. أثناء البناء ، تمتلئ الإسفنج بصبغة عضوية ، عادة ما تكون روثينيوم بوليبيريدين ، التي تقوم بحقن الإلكترونات في ثاني أكسيد التيتانيوم عند التصوير الضوئي. هذه الصبغة باهظة الثمن نسبيا ، وروثينيوم معدن نادر.

استخدام النقاط الكمومية كبديل للأصباغ الجزيئية تم اعتباره من الأيام الأولى لبحوث DSSC. سمحت القدرة على ضبط فجوة نطاقها للمصمم بتحديد مجموعة متنوعة من المواد لأجزاء أخرى من الخلية. طورت مجموعات متعاونة من جامعة تورنتو و École Polytechnique Fédérale de Lausanne تصميماً قائماً على قطب خلفي مباشرة متلامس مع فيلم من النقاط الكمومية ، مما أدى إلى القضاء على الإلكتروليت وتشكيل خليط متغاير مستنفد. بلغت هذه الخلايا كفاءة 7.0 ٪ ، أفضل من أفضل الأجهزة DSSC الحالة الصلبة ، ولكن أقل من تلك القائمة على السائل المنحل بالكهرباء.

متعددة تقاطع
يستخدم تيلوريد الكادميوم (CdTe) للخلايا التي تمتص ترددات متعددة. يتم وضع تعليق غرواني لهذه البلورات على طبقة سفلية مثل شريحة زجاجية رقيقة ، محفوظ بوعاء في بوليمر موصل. هذه الخلايا لم تستخدم النقاط الكمومية ، ولكن الميزات المشتركة معهم ، مثل الصب سبين واستخدام موصل فيلم رقيقة. في مقاييس الإنتاج المنخفضة تكون النقاط الكمومية أكثر تكلفة من البلورات النانوية المنتجة بكميات كبيرة ، ولكن الكادميوم والتيلوريد هما معادن نادرة وعالية السمية تخضع لتقلبات الأسعار.

استخدمت مجموعة سارجنت [من؟] كبريتيد الرصاص كمانح إلكترون حساس للأشعة تحت الحمراء لإنتاج خلايا شمسية تعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات كفاءة قياسية. قد يسمح سبين سبنج ببناء خلايا “ترادفية” بتكلفة منخفضة للغاية. استخدمت الخلايا الأصلية الركيزة الذهبية كقطب كهربائي ، على الرغم من أن النيكل يعمل كذلك.

التقاط الناقل الساخن
طريقة أخرى لتحسين الكفاءة هي التقاط الطاقة الإضافية في الإلكترون عند إنبعاثها من مادة ذات فجوة واحدة. في المواد التقليدية مثل السليكون ، المسافة من موقع الانبعاث إلى القطب حيث يتم حصادها أبعد من أن تسمح بحدوث ذلك ؛ سيخضع الإلكترون للعديد من التفاعلات مع المواد البلورية والشبيكة ، وسيتخلى عن هذه الطاقة الإضافية كحرارة. تمت تجربة السليكون الرقيق ذو الشكل الرقيق كبديل ، لكن العيوب المتأصلة في هذه المواد طغت على ميزتها المحتملة. وتبقى خلايا الأغشية الرقيقة الحديثة أقل كفاءة بشكل عام من السليكون التقليدي.

يمكن للمتبرعين ذوي البنية النانوية أن يتم تصويرهم كأفلام موحدة تتجنب المشاكل مع العيوب. هذه سوف تخضع لقضايا أخرى متأصلة في النقاط الكمومية ، ولا سيما قضايا المقاومة واحتجاز الحرارة.

excitons متعددة
في عام 2004 ، أفاد مختبر لوس ألاموس الوطني عن أدلة طيفية تشير إلى إمكانية توليد العديد من الأكسيتونات بكفاءة عند امتصاص فوتون واحد نشط في نقطة كمومية. إن التقاطهم سيصطاد المزيد من الطاقة في ضوء الشمس. في هذا النهج ، والمعروف باسم “تكاثر الناقل” (CM) أو “توليد exciton متعددة” (MEG) ، يتم ضبط النقطة الكمومية لتحرير أزواج متعددة من الإلكترونات عند طاقة أقل بدلاً من زوج واحد عند طاقة عالية. هذا يزيد من الكفاءة من خلال زيادة photocurrent. تم صنع نقاط LANL من سيلينيد الرصاص.

في عام 2010 ، أظهرت جامعة وايومنغ أداء مماثل باستخدام خلايا DCCS. وأظهرت نقاط الرصاص الكبريت (PbS) نتيجتين من الإلكترون عندما كانت الفوتونات الواردة تحتوي على ثلاثة أضعاف طاقة فجوة الحزمة.

في عام 2005 ، أثبتت NREL MEG في النقاط الكمومية ، حيث أنتجت ثلاثة إلكترونات لكل فوتون وكفاءة نظرية بنسبة 65٪. في عام 2007 ، حققت نتائج مماثلة في السيليكون.

غير المؤكسدة
في عام 2014 قامت مجموعة جامعة تورنتو بتصنيع وتوضيح نوع من الخلايا النوعية من النوع CQD باستخدام PbS مع معالجة خاصة بحيث لا تترابط مع الأكسجين. حققت الخلية كفاءة 8 ٪ ، فقط خجولة من سجل كفاءة QD الحالي. مثل هذه الخلايا تخلق إمكانية وجود خلايا “غير نشطة”. ومع ذلك ، فإن هذه النوع CQD المستقر من الهواء قد تم تصنيعه بالفعل في بيئة خالية من الأوكسجين.

أيضا في عام 2014 ، أظهرت مجموعة بحثية أخرى في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خلايا ZnO / PbS الشمسية مستقرة الهواء التي تم تصنيعها في الهواء وحققت كفاءة قياسية بنسبة 8.55 ٪ (9.2 ٪ في المختبر) لأنها امتصت الضوء بشكل جيد ، في حين نقلت أيضا إلى جامعي في حافة الخلية. وتظهر هذه الخلايا استقرارًا غير مسبوق للهواء للخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية ، حيث ظل الأداء ثابتًا لأكثر من 150 يومًا من التخزين في الهواء.