Nanocząstki zwiększają wydajność konwersji energii świetlnej na elektryczną
Nanocząstki pozwalają na stworzenie elektrycznej platformy materiałowej, która oferuje nowe możliwości przekształcania światła słonecznego w elektryczność. W szczególności, nanostruktury półprzewodnikowe, w których co najmniej jeden wymiar jest wystarczająco mały, by generować efekty ograniczenia kwantowego, mają duży potencjał w zakresie poprawy sprawności podstawowych procesów fotokonwersji. W ramach projektu ULTRA PARTICLE (Ultra precise nanoparticles to harvest light) naukowcy starali się zwiększyć wydajność przy pomocy kropek kwantowych (QD) i cząstek metali. Ostatecznym celem było takie zmodyfikowanie QD i cząstek metali, by pochłaniały one w ogniwie słonecznym fotony o energiach obejmujących dużą część widma elektromagnetycznego. Dzięki temu ogniwa słoneczne mogłyby generować więcej energii elektrycznej z tej samej ilości światła. QD to trójwymiarowe nanokryształy półprzewodnikowe o wyjątkowych właściwościach wynikających z ich składu, kształtu i rozmiarów. Manipulowanie ich rozmiarami prowadzi do zmiany zarówno absorpcji, jak i emisji QD. To właśnie dzięki tej właściwości umożliwiającej precyzyjne dostrojenie QD zyskały one tak wielką popularność w wyświetlaczach wykorzystywanych w różnych urządzeniach elektronicznych, od smartfonów po telewizory. Cząstki metali silnie rezonują (mają własności plazmoniczne) pod wpływem światła o określonej barwie, co zwiększa ich absorpcję optyczną w otaczającym je półprzewodnikowym ogniwie słonecznym. W ramach projektu ULTRA PARTICLE naukowcy pozyskali najnowocześniejszy klaster agregacji gazowej do produkcji dobrze zdefiniowanych nanocząsteczek o jednakowym rozmiarze. Po podłączeniu go do istniejącego cienkowarstwowego urządzenia rozpylającego zespół otrzymał próbki nanocząstek srebra, złota, glinu, krzemu (Si) i germanu osadzone na rozmaitych podłożach. Dokładna analiza przy pomocy mikroskopii sił atomowych i transmisyjnej mikroskopii elektronowej potwierdziła, że nanocząstki nadają się do wbudowania w amorficzny krzem. Jest to kolejny krok w kierunku wykorzystania nanostruktur metalicznych wspierających miejscowe plazmony powierzchniowe — wzbudzenia elektronów przewodzących na granicach metali i dielektryków — w celu zwiększenia absorpcji światła słonecznego. W międzyczasie zespół przygotował nanocząstki Si w rozmiarach mieszczących się w ramach ograniczenia kwantowego, co stanowiło główny cel projektu określony we wniosku o finansowanie. Nanocząstki przygotowano w na tyle dużej ilości, by móc produkować cienkie błony składające się z nanocząstek zgodne z typem wymaganym w fotowoltaice cienkowarstwowej. Projekt ULTRA PARTICLE położył podwaliny pod dostosowywanie właściwości optycznych kropek kwantowych w celu umożliwienia pochłaniania przez nie większego zakresu długości fal. Znaczne zwiększenie wydajności tej technologii i zbudowanie ogniw słonecznych opartych na QD pozwoli na tańszą konwersję światła słonecznego w elektryczność i pomoże w upowszechnieniu tego rodzaju urządzeń.
