Los puntos cuánticos podrían traer más barato, células solares más eficientes

Published on February 23, 2011 at 7:25 PM

El sol proporciona la energía más que suficiente para todas nuestras necesidades, si tan sólo pudiéramos aprovecharla de forma barata y eficiente. La energía solar podría ser una alternativa a los combustibles fósiles, pero el alto costo de las celdas solares ha sido un gran obstáculo para su uso generalizado.

Los investigadores de Stanford han descubierto que la adición de una sola capa de moléculas orgánicas en una célula solar puede aumentar su eficiencia tres veces y podría conducir a más barato, los paneles solares más eficientes. Sus resultados fueron publicados en línea en ACS Nano el 7 de febrero.

Profesor de ingeniería química Stacey doblado comenzó a interesarse por un nuevo tipo de tecnología solar, hace dos años. Estas células solares que se usan minúsculas partículas de semiconductores llamados "puntos cuánticos". Puntos cuánticos células solares más baratas de producir que los tradicionales, ya que se puede hacer uso de reacciones químicas simples. Pero a pesar de su promesa, quedado muy por detrás de las células solares existentes en la eficiencia.

Stacey Bent, profesor de ingeniería química, tiene un prototipo de la célula de puntos cuánticos solares sensibilizadas. Crédito de la imagen: Stanford

"Me preguntaba si podríamos utilizar nuestros conocimientos de la química para mejorar su eficiencia", dijo Bent. Si pudiera hacer eso, el costo reducido de estas células solares podría conducir a la adopción masiva de la tecnología.

Doblada se discutirá su investigación el domingo, 20 de febrero, en la reunión anual de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Washington, DC

En principio, las células de puntos cuánticos pueden alcanzar una eficiencia mucho mayor, Bent, dijo, debido a una limitación fundamental de las células solares tradicionales.

Las células solares de trabajo mediante el uso de la energía del sol para excitar los electrones. Los electrones excitados saltar de un nivel de energía inferior a otro superior, dejando tras de sí un "hueco" donde el electrón que solía ser. Las células solares utilizan un semiconductor para tirar de un electrón en una dirección, y otro material para sacar del agujero en la otra dirección. Este flujo de electrones y agujeros en diferentes direcciones conduce a una corriente eléctrica.

Pero se necesita una energía mínima determinada para separar completamente el electrón y el hueco. La cantidad de energía que se requiere es específica para los diferentes materiales y afecta a lo que el color o longitud de onda de la luz el material absorbe mejor. El silicio se utiliza habitualmente para hacer las células solares, porque la energía necesaria para excitar los electrones se corresponde estrechamente con la longitud de onda de la luz visible.

Sin embargo, las células solares hechas de un solo material tiene una eficiencia máxima del 31 por ciento, una limitación del nivel de energía fija que puede absorber.

Puntos cuánticos células solares no compartimos esta limitación y puede, en teoría, ser mucho más eficiente. Los niveles de energía de los electrones en puntos cuánticos semiconductores depende de su tamaño - el más pequeño es el punto cuántico, mayor será la energía necesaria para excitar los electrones al siguiente nivel.

Así que los puntos cuánticos se puede ajustar para absorber una determinada longitud de onda de la luz con sólo cambiar su tamaño. Y pueden ser utilizados para construir células solares más complejos que tienen más de un tamaño de punto cuántico, lo que les permite absorber múltiples longitudes de onda de la luz.

Debido a estas ventajas, Bent y sus estudiantes han estado investigando formas de mejorar la eficiencia de las células de punto cuántico solar, junto con el profesor Michael McGehee asociado del departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería.

Los investigadores recubrieron un semiconductor de dióxido de titanio en su celda de punto cuántico solar con una sola capa muy fina de moléculas orgánicas. Estas moléculas se auto-montaje, lo que significa que sus interacciones causa que puedan preparar juntos de una manera ordenada. Los puntos cuánticos estuvieron presentes en la interfaz de esta capa orgánica y el semiconductor. Estudiantes de Bent intentó varias moléculas orgánicas diferentes, en un intento de aprender cuáles serían más aumentar la eficiencia de las células solares.

Pero se encontró con que la molécula exacta no importa - sólo tiene una capa orgánica solo menos de un nanómetro de espesor fue suficiente para triplicar la eficiencia de las células solares. "Estamos sorprendidos, pensamos que sería muy sensible a lo que nos dejó", dijo Bent.

Pero ella dijo que el resultado tiene sentido en retrospectiva, y los investigadores se le ocurrió un nuevo modelo - que es la longitud de la molécula, y no su naturaleza exacta, lo que importa. Moléculas que son demasiado largos no permiten que los puntos cuánticos para interactuar bien con los semiconductores.

La teoría de Bent es que una vez que la energía del sol crea un electrón y un hueco, la capa orgánica delgada ayuda a mantenerlos separados, evitando que se recombinan y la pérdida de bienestar. El grupo todavía tiene que optimizar las células solares, y que han alcanzado actualmente un rendimiento de, como máximo, un 0,4 por ciento. Pero el grupo se puede sintonizar varios aspectos de la célula, y una vez que lo hacen, el aumento de tres veces causado por la capa orgánica sería aún más significativo.

Dobladas, dijo el sulfuro de cadmio puntos cuánticos se está utilizando actualmente no son las ideales para las células solares, y el grupo tratará de diferentes materiales. Ella dijo que también trataría de otras moléculas de la capa orgánica, y podría cambiar el diseño de la célula solar para tratar de absorber más luz y producen más carga eléctrica. Una vez doblado se ha encontrado una manera de aumentar la eficiencia de células solares de puntos cuánticos, dijo que espera que su costo más bajo dará lugar a una mayor aceptación de la energía solar.

http://www.stanford.edu/

Last Update: 7. October 2011 20:34

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