Una célula solar de puntos cuánticos ( QDSC ) es un diseño de célula solar que utiliza puntos cuánticos como material fotovoltaico cautivador. Intenta sustituir materiales a granel como el silicio , el seleniuro de cobre, indio y galio ( CIGS ) o el telururo de cadmio ( CdTe ). Los puntos cuánticos tienen bandas prohibidas que se pueden ajustar en una amplia gama de niveles de energía cambiando su tamaño. En materiales a granel, la banda prohibida se fija mediante la elección del material. [1] Esta propiedad hace que los puntos cuánticos sean atractivos para las células solares de uniones múltiples , donde se utiliza una variedad de materiales para mejorar la eficiencia al recolectar múltiples porciones del espectro solar .
A partir de 2022, la eficiencia supera el 18,1%. [2] Las células solares de puntos cuánticos tienen el potencial de aumentar la eficiencia de conversión termodinámica máxima alcanzable de la conversión de fotones solares hasta aproximadamente un 66% mediante la utilización de portadores fotogenerados calientes para producir fotovoltajes o fotocorrientes más altos. [3]
En una célula solar convencional, la luz es absorbida por un semiconductor , produciendo un par electrón-hueco (eh); el par puede estar unido y se denomina excitón . Este par está separado por un potencial electroquímico interno (presente en las uniones pn o diodos Schottky ) y el flujo resultante de electrones y huecos crea una corriente eléctrica. El potencial electroquímico interno se crea dopando una parte de la interfaz del semiconductor con átomos que actúan como donadores de electrones (dopaje tipo n) y otra con aceptores de electrones (dopaje tipo p) que da como resultado una unión pn . La generación de un par eh requiere que los fotones tengan una energía superior a la banda prohibida del material. Efectivamente, los fotones con energías inferiores a la banda prohibida no son absorbidos, mientras que aquellos que son superiores pueden termalizarse rápidamente (en aproximadamente 10 −13 s) hasta los bordes de la banda, reduciendo la salida. La primera limitación reduce la corriente , mientras que la termalización reduce el voltaje . Como resultado, las celdas semiconductoras sufren un equilibrio entre voltaje y corriente (que puede aliviarse en parte mediante el uso de implementaciones de múltiples uniones). El cálculo detallado del equilibrio muestra que esta eficiencia no puede exceder el 33% si se utiliza un solo material con una banda prohibida ideal de 1,34 eV para una célula solar. [4]
La banda prohibida (1,34 eV) de una celda ideal de unión única es cercana a la del silicio (1,1 eV), una de las muchas razones por las que el silicio domina el mercado. Sin embargo, la eficiencia del silicio está limitada a aproximadamente el 30% ( límite de Shockley-Queisser ). Es posible mejorar una celda de unión única apilando verticalmente celdas con diferentes bandas prohibidas, lo que se denomina enfoque "tándem" o "multiunión". El mismo análisis muestra que una celda de dos capas debería tener una capa sintonizada a 1,64 eV y la otra a 0,94 eV, lo que proporciona un rendimiento teórico del 44%. Una celda de tres capas debería sintonizarse a 1,83, 1,16 y 0,71 eV, con una eficiencia del 48%. Una celda de "capa infinita" tendría una eficiencia teórica del 86%, y otros mecanismos de pérdida termodinámica representarían el resto. [5]
Los métodos tradicionales de preparación de silicio (cristalino) no se prestan a este enfoque debido a la falta de sintonizabilidad de banda prohibida. Las películas delgadas de silicio amorfo , que debido a un requisito relajado en la preservación del impulso del cristal pueden lograr bandas prohibidas directas y mezcla de carbono, pueden ajustar la banda prohibida, pero otros problemas han impedido que igualen el rendimiento de las células tradicionales. [6] La mayoría de las estructuras de células en tándem se basan en semiconductores de mayor rendimiento, en particular arseniuro de indio y galio (InGaAs). Las células InGaAs/GaAs/InGaP de tres capas (bandas prohibidas 0,94/1,42/1,89 eV) mantienen el récord de eficiencia del 42,3 % para los ejemplos experimentales. [7]
Sin embargo, las QDSC sufren de una absorción débil y la contribución de la absorción de luz a temperatura ambiente es marginal. Esto se puede solucionar utilizando nanoestrellas de Au multiramificadas. [8]
Los puntos cuánticos son partículas semiconductoras que se han reducido por debajo del tamaño del radio de Excitón de Bohr y, debido a consideraciones de la mecánica cuántica , las energías de los electrones que pueden existir dentro de ellos se vuelven finitas, muy parecidas a las energías de un átomo. A los puntos cuánticos se les ha denominado "átomos artificiales". Estos niveles de energía se pueden sintonizar cambiando su tamaño, lo que a su vez define la banda prohibida. Los puntos se pueden ampliar en una variedad de tamaños, lo que les permite expresar una variedad de bandas prohibidas sin cambiar el material subyacente o las técnicas de construcción. [9] En las preparaciones típicas de química húmeda, el ajuste se logra variando la duración o la temperatura de la síntesis.
La capacidad de sintonizar la banda prohibida hace que los puntos cuánticos sean deseables para las células solares. Para el espectro de distribución de fotones del sol, el límite de Shockley-Queisser indica que la máxima eficiencia de conversión solar se produce en un material con una banda prohibida de 1,34 eV. Sin embargo, los materiales con bandas prohibidas más bajas serán más adecuados para generar electricidad a partir de fotones de menor energía (y viceversa). Las implementaciones de unión única que utilizan puntos cuánticos coloidales (CQD) de sulfuro de plomo (PbS) tienen bandas prohibidas que se pueden sintonizar en el infrarrojo lejano, frecuencias que normalmente son difíciles de lograr con las células solares tradicionales. La mitad de la energía solar que llega a la Tierra proviene del infrarrojo, la mayor parte en la región del infrarrojo cercano. Una célula solar de puntos cuánticos hace que la energía infrarroja sea tan accesible como cualquier otra. [10]
Además, los CQD ofrecen una fácil síntesis y preparación. Mientras están suspendidos en forma de líquido coloidal, se pueden manipular fácilmente durante toda la producción, siendo una campana extractora el equipo más complejo necesario. Las CQD suelen sintetizarse en pequeños lotes, pero pueden producirse en masa. Los puntos se pueden distribuir sobre un sustrato mediante recubrimiento por rotación , ya sea a mano o en un proceso automatizado. La producción a gran escala podría utilizar sistemas de impresión por pulverización o por rollo, lo que reduciría drásticamente los costes de construcción de los módulos.
Los primeros ejemplos utilizaban costosos procesos de epitaxia de haces moleculares . Sin embargo, el desajuste de la red da como resultado la acumulación de tensión y, por lo tanto, la generación de defectos, lo que restringe el número de capas apiladas. La técnica de crecimiento de epitaxia de gotas muestra sus ventajas en la fabricación de QD sin tensiones. [11] Alternativamente, más tarde se desarrollaron métodos de fabricación menos costosos. Estos utilizan química húmeda (para CQD) y procesamiento de solución posterior. Las soluciones concentradas de nanopartículas se estabilizan mediante largos ligandos de hidrocarburos que mantienen los nanocristales suspendidos en la solución.
Para crear un sólido, estas soluciones se derriban [ se necesita aclaración ] y los ligandos estabilizadores largos se reemplazan con entrecruzadores de cadena corta. La ingeniería química de la superficie de los nanocristales puede pasivar mejor los nanocristales y reducir los estados de trampa perjudiciales que limitarían el rendimiento del dispositivo mediante la recombinación de portadores. [ se necesita aclaración ] Este enfoque produce una eficiencia del 7,0%. [12]
Un estudio más reciente utiliza diferentes ligandos para diferentes funciones ajustando su alineación relativa de bandas para mejorar el rendimiento hasta un 8,6%. [13] Las células se procesaron en solución en aire a temperatura ambiente y exhibieron estabilidad en el aire durante más de 150 días sin encapsulación.
En 2014 se introdujo el uso de yoduro como ligando que no se une al oxígeno. Esto mantiene capas estables de tipo n y p, lo que aumenta la eficiencia de absorción, lo que produjo una eficiencia de conversión de energía de hasta el 8 %. [14]
La idea de utilizar puntos cuánticos como camino hacia la alta eficiencia fue señalada por primera vez por Burnham y Duggan en 1989. [15] En ese momento, la ciencia de los puntos cuánticos, o "pozos", como se los conocía, estaba en su infancia y principios. los ejemplos apenas estaban apareciendo disponibles.
Otro diseño de celda moderno es la celda solar sensibilizada por colorante , o DSSC. Los DSSC utilizan una capa de TiO similar a una esponja2como válvula semiconductora y como estructura de soporte mecánico. Durante la construcción, la esponja se llena con un tinte orgánico, típicamente rutenio -polipiridina, que inyecta electrones en el dióxido de titanio tras la fotoexcitación. [16] Este tinte es relativamente caro y el rutenio es un metal raro. [17]
El uso de puntos cuánticos como alternativa a los tintes moleculares se consideró desde los primeros días de la investigación del DSSC. La capacidad de ajustar la banda prohibida permitió al diseñador seleccionar una variedad más amplia de materiales para otras partes de la celda. Grupos colaboradores de la Universidad de Toronto y la École Polytechnique Fédérale de Lausanne desarrollaron un diseño basado en un electrodo posterior en contacto directo con una película de puntos cuánticos, eliminando el electrolito y formando una heterounión empobrecida . Estas celdas alcanzaron un 7,0% de eficiencia, mejor que los mejores dispositivos DSSC de estado sólido, pero por debajo de los basados en electrolitos líquidos. [12]
Tradicionalmente, las células solares de uniones múltiples se fabrican con una colección de múltiples materiales semiconductores. Debido a que cada material tiene una banda prohibida diferente, la unión pn de cada material se optimizará para una longitud de onda de luz entrante diferente. El uso de múltiples materiales permite la absorbancia de una gama más amplia de longitudes de onda, lo que aumenta la eficiencia de conversión eléctrica de la celda.
Sin embargo, el uso de múltiples materiales hace que las células solares de uniones múltiples sean demasiado caras para muchos usos comerciales. [18] Debido a que la banda prohibida de los puntos cuánticos se puede sintonizar ajustando el radio de la partícula, las células de uniones múltiples se pueden fabricar incorporando semiconductores de puntos cuánticos de diferentes tamaños (y, por lo tanto, diferentes bandas prohibidas). El uso del mismo material reduce los costos de fabricación [19] y el espectro de absorción mejorado de los puntos cuánticos se puede utilizar para aumentar la corriente de cortocircuito y la eficiencia general de la celda.
El telururo de cadmio (CdTe) se utiliza para células que absorben múltiples frecuencias. Una suspensión coloidal de estos cristales se moldea por centrifugación sobre un sustrato, como un portaobjetos de vidrio delgado, encapsulado en un polímero conductor . Estas células no utilizaban puntos cuánticos, pero compartían características con ellos, como la fundición por espín y el uso de una película conductora delgada. A bajas escalas de producción, los puntos cuánticos son más caros que los nanocristales producidos en masa, pero el cadmio y el telururo son metales raros y altamente tóxicos sujetos a oscilaciones de precios.
El Grupo Sargent [ ¿quién? ] utilizó sulfuro de plomo como donante de electrones sensible al infrarrojo para producir células solares IR de eficiencia récord. La fundición por rotación puede permitir la construcción de celdas "en tándem" a un costo muy reducido. Las celdas originales utilizaban un sustrato de oro como electrodo, aunque el níquel funciona igual de bien. [20]
Otra forma de mejorar la eficiencia es capturar la energía extra en el electrón cuando se emite desde un material de banda prohibida única. En materiales tradicionales como el silicio, la distancia desde el lugar de emisión hasta el electrodo donde se recolectan es demasiado grande para permitir que esto ocurra; el electrón sufrirá muchas interacciones con los materiales cristalinos y la red, cediendo esta energía extra en forma de calor. Se probó el silicio amorfo de película delgada como alternativa, pero los defectos inherentes a estos materiales superaron su ventaja potencial. Las celdas modernas de película delgada siguen siendo generalmente menos eficientes que las de silicio tradicional.
Los donantes nanoestructurados se pueden moldear como películas uniformes que evitan los problemas de defectos. [21] Estos estarían sujetos a otros problemas inherentes a los puntos cuánticos, en particular problemas de resistividad y retención de calor.
El límite de Shockley-Queisser, que fija la eficiencia máxima de una célula fotovoltaica de una sola capa en el 33,7%, supone que sólo se puede generar un par electrón-hueco (excitón) por cada fotón entrante. La generación de excitones múltiples (MEG) es una vía de relajación de excitones que permite generar dos o más excitones por cada fotón entrante de alta energía. [22] En la energía fotovoltaica tradicional, este exceso de energía se pierde en el material a granel en forma de vibraciones de la red (acoplamiento electrón-fonón). MEG ocurre cuando este exceso de energía se transfiere para excitar electrones adicionales a través de la banda prohibida, donde pueden contribuir a la densidad de corriente de cortocircuito.
Dentro de los puntos cuánticos, el confinamiento cuántico aumenta las interacciones culombicas que impulsan el proceso MEG. [23] Este fenómeno también disminuye la tasa de acoplamiento electrón-fonón, que es el método dominante de relajación de excitones en semiconductores a granel. El cuello de botella del fonón reduce la velocidad de enfriamiento del portador caliente, lo que permite a los excitones seguir otras vías de relajación; esto permite que MEG domine en las células solares de puntos cuánticos. La tasa de MEG se puede optimizar adaptando la química del ligando de puntos cuánticos, así como cambiando el material y la geometría de los puntos cuánticos.
En 2004, el Laboratorio Nacional de Los Álamos informó evidencia espectroscópica de que se podían generar eficientemente varios excitones tras la absorción de un único fotón energético en un punto cuántico. [24] Capturarlos captaría más energía de la luz solar. En este enfoque, conocido como "multiplicación de portadores" (CM) o " generación de excitones múltiples " (MEG), el punto cuántico se sintoniza para liberar múltiples pares electrón-hueco con una energía más baja en lugar de un par con energía alta. Esto aumenta la eficiencia a través del aumento de la fotocorriente. Los puntos de LANL se fabricaron a partir de seleniuro de plomo .
En 2010, la Universidad de Wyoming demostró un rendimiento similar utilizando células DCCS. Los puntos de plomo-azufre (PbS) demostraron la eyección de dos electrones cuando los fotones entrantes tenían aproximadamente tres veces la energía de banda prohibida. [25]
En 2005, NREL demostró MEG en puntos cuánticos, produciendo tres electrones por fotón y una eficiencia teórica del 65%. [26] En 2007, lograron un resultado similar en el silicio. [27]
En 2014, un grupo de la Universidad de Toronto fabricó y demostró un tipo de célula CQD tipo n utilizando PbS con un tratamiento especial para que no se una al oxígeno. La celda logró una eficiencia del 8%, apenas por debajo del récord actual de eficiencia QD. Estas células crean la posibilidad de células "pulverizadas" sin recubrir. [28] [29] Sin embargo, estos CQD de tipo n estables al aire en realidad se fabricaron en un ambiente libre de oxígeno.
También en 2014, otro grupo de investigación del MIT demostró células solares de ZnO/PbS estables en el aire que se fabricaron en el aire y lograron una eficiencia récord certificada del 8,55 % (9,2 % en laboratorio) porque absorbían bien la luz y al mismo tiempo transportaban carga a los colectores en el borde de la celda. [30] Estas células muestran una estabilidad en el aire sin precedentes para las células solares de puntos cuánticos y el rendimiento se mantuvo sin cambios durante más de 150 días de almacenamiento en el aire. [13]
Aunque las células solares de puntos cuánticos aún no son comercialmente viables a gran escala, varios pequeños proveedores comerciales han comenzado a comercializar productos fotovoltaicos de puntos cuánticos. Los inversores y analistas financieros han identificado la energía fotovoltaica de puntos cuánticos como una tecnología futura clave para la industria solar. [31]
Muchos semiconductores de puntos cuánticos de metales pesados (calcogenuros de plomo/cadmio como PbSe, CdSe) pueden ser citotóxicos y deben encapsularse en una cubierta de polímero estable para evitar la exposición. Se han explorado materiales de puntos cuánticos no tóxicos, como los nanocristales AgBiS 2, debido a su seguridad y abundancia; La exploración con células solares basadas en estos materiales ha demostrado eficiencias de conversión comparables (> 9%) y densidades de corriente de cortocircuito (> 27 mA/cm 2 ). [35] [36] El material de punto cuántico CuInSe 2-X de UbiQD es otro ejemplo de un compuesto semiconductor no tóxico.
