Kuantum noktalı güneş pili (QDSC), kuantum noktaları olarak adlandırılan fiziksel yapıyı absorbe edici fotovoltaik malzeme olarak kullanan bir güneş pili tasarımıdır. Gelecekte silikon, bakır indiyum, galyum selenid (CIGS) veya CdTe gibi dökme malzemelerin yerini almaları beklenmektedir. Kuantum noktaları, ebatlarını değiştirmek suretiyle geniş bir enerji seviyesi aralığında ayarlanabilen bant aralıklarına sahiptir . Dökme malzemelerde, bant boşluğu maddenin türü tarafından belirlenir. Bu özelliği, kuantum noktalarını, güneş spektrumunda değişik dalga boylarındaki ışınımdan faydalanmak yoluyla verimliliği artırmak için çeşitli malzemelerin beraber kullanıldığı çok eklemli güneş pilleri için çekici hale getirir. Günümüzde verim değerleri % 10 üzerinde seyretmektedir.
 |
Atomik kuvvet mikroskobu altında bir AlSb substratı üzerinde GaSb'den imal edilmiş kendiliğinden organize kuantum noktaları. |
Arkaplan
Güneş Pillerine Ait Temel Kavramlar
Konvansiyonel bir güneş pilinde, ışık bir yarı iletken tarafından absorbe edilir ve bu bir elektron- delik (e-h) çifti oluşturur; bu çift birbirine bağlı bir halde bulunabilir ve “eksiton” olarak adlandırılır. Bu çift, “dahili” bir elektrik alanı (p-n eklemlerinde veya Schottky diyotlarında bulunan) ile birbirinden ayrılırken, ortaya çıkan elektron - delik akışı bir elektrik akımı meydana getirir. Dahili elektrik alanı, yarı iletken arayüzün bir kısmının elektron veren (n-tipi doping) , bir diğerinin elektron alan (p-tipi doping) atomlarla katkılandırılması ile oluşurken, bunun neticesinde ortaya bir p-n eklemi ortaya çıkar. Bir elektron delik çiftinin yaratılması, fotonların malzemenin bant aralığını aşan enerjiye sahip olmasını gerektirir. Bant aralığının altında enerjiye sahip fotonlar etkin bir şekilde absorbe edilemezken , bu enerjiden daha yüksek enerjiye sahip olanlar bant kenarlarında hızlı bir şekilde (yaklaşık 10-13 saniye içinde) ısıya dönüşürler ki bu durum da çıkış gücünü düşürür. İlk bahsettiğimiz sınırlama neticesinde çıkış akımı düşerken, ikinci durumda bahsedilen ısıya dönüşme ( bu olay termalizasyon olarak geçer) sonucunda çıkış gerilimi düşer. Buradan özetle şu sonucu çıkarabiliriz: “Bir güneş pilinde akım bant aralığı ile ters gerilim ise doğru orantılıdır.” Sonuç olarak, yarı iletken hücrelerde gerilim ile akımı aynı anda artırmak mümkün değildir. (Buna karşılık, çok eklemli güneş pili uygulamaları sayesinde bu soruna kısmen çözüm bulunabilir). Ayrıntılı şekilde bir bilanço hesaplaması, bir güneş pili için tek tür bir malzeme kullanılması durumunda bu verimin% 31'i geçemeyeceğini göstermektedir.
 |
| Kuantum Noktalı Güneş Pillerinin Yapısı |
Sayısal analiz, % 31 verimliliğin, kızılötesine yakın bir spektrumdaki ışığa karşılık gelen 1.3-1.4 eV'lik bir bant aralığı ile elde edildiğini göstermektedir. Bu bant boşluğu silikonunkine (1.1 eV) oldukça yakındır, bu da silikonun piyasaya hakim olmasının birçok nedeninden biridir. Bununla birlikte, silikonun etkinliği yaklaşık olarak % 29 ile sınırlıdır. "Tandem" veya "çoklu bağlantı" yaklaşımı olarak bilinen farklı bant boşluklarına sahip hücreleri dikey olarak istifleyerek tek bir hücrenin verimini iyileştirmek mümkündür. Aynı analiz, iki katmanlı bir hücrenin bir katmanın 1.64 eV'ye ve diğerinin 0.94 eV'ye ayarlanmış olması halinde % 44 teorik mertebesinde bir teorik verimin yakalanabileceğini gösterir. Üç katmanlı bir hücre,% 48'lik bir verimlilik için her katman sırasıyla 1.83, 1.16 ve 0.71 eV'ye ayarlanmalıdır. Bu şekilde imal edilecek "sonsuz katmanlı" bir güneş hücresinin teorik veriminin en fazla % 86 olabileceği düşünülmekte olup geri kalan % 14’lük kaybın farklı termodinamik kayıp mekanizmaları sebebiyle oluşacağı varsayılır.
Konvansiyonel (kristalin) silikon üretim prosesleri, bant aralığının ayarlanabilir olmamasından dolayı bu yaklaşım için uygun değildir. Kristal momentumunun korunması noktasında daha uygun bir yapıda olmaları nedeniyle, Doğrudan Bant Aralığı ve Karbon Karışımı yapabilme özelliklerinden faydalanılabilen amorf silikon tabanlı ince filmlerin bant aralığını ayarlanabilirse de farklı sebeplerden ötürü konvansiyonel hücrelerin performansına ulaşmaları mümkün görünmemektedir. Tandem hücre yapılarının çoğu, özellikle indiyum galyum arsenide (InGaAs) olmak üzere daha güçlü yarı iletkenlere dayanır. Üç katmanlı InGaAs / GaAs / InGaP hücreleri (bant aralıkları 0.94 / 1.42 / 1.89 eV), deneysel örnekler için% 42.3 verimlilik rekorunu elinde tutmaktadır. Kuantum noktalı güneş pilleri zayıf absorpsiyon özelliği gösterirler ve oda sıcaklığında ışık absorpsiyonunun katkısı küçüktür. Absorpsiyonun artması, örnek olarak,defalarca çok dallandırılmış altın nano-yıldızcıkları kullanılarak başarılabilir.
Kuantum noktaları
Kuantum noktaları, Exciton-Bohr yarıçapının oluşturduğu sahadan daha fazla yer kaplamayan yarı iletken parçacıklardır ve kuantum mekaniği yönünden, içlerindeki elektronların enerjileri, bir atomdaki enerji türüne benzer şekilde kuantize yani süreksiz hale gelir. Kuantum noktaları "yapay atomlar" olarak da adlandırılırlar. Bu enerji seviyeleri, nokta boyutları değiştirilerek ayarlanabilir ve bu sayede bant aralıkları belirlenebilir. Noktalar, altta yatan malzemeyi veya yapım tekniklerini değiştirmeden çeşitli bant aralıklarına karşılık düşecek şekilde çeşitli büyüklükler üzerinden büyütülebilir. Tipik yaş kimyasal preparatlarda bu enerji seviyesinin ayarlanması, sentez süresi veya sıcaklığı değiştirilerek gerçekleştirilir.
Bant aralığını ayarlama yeteneği, kuantum noktalarını güneş pilleri için cazip hale getirir. Kurşun sülfürden (PbS) (CQD) yapılmış koloidal kuantum noktalarının kullanıldığı tek bağlantı uygulamaları, genellikle konvansiyonel güneş pilleri ile elde edilmesi zor olan uzak kızılötesi dalga boylarına ayarlanabilen bant aralıklarına sahiptir. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin yarısı kızılötesi , çoğunlukla da yakın-kızılötesi bölgesindedir. Bir kuantum nokta güneş pili, kızılötesi ışınım enerjisini tüm diğerleri kadar erişilebilir kılar.
İlaveten, koloidal quantum noktaları ( CQD) kolay sentez ve hazırlık imkanı sunar. Koloidal sıvı formda askıda kaldıklarında, üretim boyunca ihtiyaç duyulan en karmaşık ekipman olarak bir çeker ocak kullanılarak kolayca kullanılabilirler. , koloidal quantum noktaları genellikle ufak paketler halinde sentezlenir, ancak toplu olarak da üretilebilir. Noktalar, elle veya otomatik bir işlemle, döndürmeli kaplama yöntemiyle alt katman( substrat) üzerine dağıtılabilir. Büyük ölçekli üretimde, modüllerin üretim maliyetini önemli ölçüde azaltan sprey veya rulo baskı sistemleri kullanılabilir.
