Efektywne ogniwa słoneczne bazujące na studniach kwantowych
Fotowoltaika koncentryczna to technologia wykorzystująca soczewki i zakrzywione lustra, które skupiają światło słoneczne na małych, lecz bardzo wydajnych wielozłączowych ogniwach słonecznych. Zaobserwowano, że te wysoce wydajne konstrukcje zdolne są przekształcić ponad 40% światła słonecznego w energię elektryczną. Największym utrudnieniem jest jednak niezdolność niektórych ogniw słonecznych do wydobywania całej energii słonecznej ze względu na szerokie pasmo wzbronione charakteryzujące pewne materiały. Ogniwa słoneczne bazujące na studniach kwantowych, które osiągają większą wydajność dzięki pułapkowaniu energii słonecznej w studniach kwantowych, są od niedawna stosowane jako użyteczne komponenty wielozłączowych ogniw słonecznych. Tego typu ogniwa zdolne są przezwyciężyć ograniczenia wielozłączowych ogniw słonecznych, umożliwiając elastyczne strojenie pasma wzbronionego, przy jednoczesnym zachowaniu właściwej struktury krystalicznej oraz właściwości optycznych i elektrycznych. W ramach projektu PHOTOQWELL (Photonic optimisation of multiple quantum well structures for single and dual- junction solar cells) naukowcy podjęli się dalszej poprawy wydajności ogniw słonecznych na bazie wielu studni kwantowych (MQW). Badacze z powodzeniem opracowali narzędzia obliczeniowe do optymalizacji wydajności ogniw MQW. Za pomocą symulacji właściwości transportowych struktur MQW, odkryli, że struktury studni kwantowych składające się z licznych warstw oferują potencjał w zakresie większej absorpcji światła. Dodatkowo zaobserwowano, że położenie studni kwantowych wewnątrz ogniw słonecznych odgrywa ważną rolę w wydajności nośnika. Naukowców zaskoczyła natomiast silna zależność właściwości MQW od mobilności nośnika w studniach kwantowych. Fascynującym odkryciem, które dotychczas nie zostało zgłoszone w kontekście ogniw słonecznych, był fakt, że studnie kwantowe działają jak przewody kwantowe. Cienkie warstwy półprzewodnika doznały poważnej modulacji grubości i uformowały pasma sekcji trójkątnej w określonym kierunku. Szczegółowa analiza ich właściwości wykazała, że nośniki fotogenerowane przetrwały dłużej (10-krotnie dłużej) bez rekombinacji niż w studniach kwantowych. Na podstawie tych odkryć naukowcy rozważają wykorzystanie przewodów kwantowych do poprawy współczynnika zbioru nośnika. Poprawiając wydajność ogniw słonecznych typu MQW, naukowcy stwarzają możliwości uzyskania wyższych współczynników konwersji, czyniąc fotowoltaikę koncentryczną wykonalną opcją. Ponadto właściwości wzbudzania i wywołania przewodów kwantowych stwarzają możliwości badania nowych koncepcji w dziedzinie ogniw słonecznych.
Słowa kluczowe
Studnia kwantowa, ogniwa słoneczne, fotowoltaika koncentryczna, energia słoneczna, fotoniczna
