Una célula solar de puntos cuánticos ( QDSC ) es un diseño de célula solar que utiliza puntos cuánticos como el cautivador material fotovoltaico. Intenta reemplazar materiales a granel como el silicio , el seleniuro de cobre, indio y galio ( CIGS ) o el telururo de cadmio ( CdTe ). Los puntos cuánticos tienen brechas de banda que se pueden ajustar en una amplia gama de niveles de energía cambiando su tamaño. En los materiales a granel, la brecha de banda se fija mediante la elección del material o los materiales. [1] Esta propiedad hace que los puntos cuánticos sean atractivos para las células solares de múltiples uniones , 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 máxima eficiencia de conversión termodinámica alcanzable de la conversión de fotones solares hasta aproximadamente el 66 % mediante el uso de portadores fotogenerados calientes para producir fotovoltajes o fotocorrientes más altos. [3]
En una célula solar convencional, la luz es absorbida por un semiconductor , lo que produce 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 donantes de electrones (dopaje de tipo n) y otra con aceptores de electrones (dopaje de tipo p) que da como resultado una unión pn . La generación de un par eh requiere que los fotones tengan una energía que exceda la banda prohibida del material. Efectivamente, los fotones con energías inferiores a la banda prohibida no se absorben, mientras que los que son superiores pueden termalizarse rápidamente (en unos 10 −13 s) hasta los bordes de la banda, lo que reduce la salida. La primera limitación reduce la corriente , mientras que la termalización reduce el voltaje . Como resultado, las células semiconductoras sufren un desequilibrio entre voltaje y corriente (que puede aliviarse en parte mediante el uso de implementaciones de uniones múltiples). El cálculo detallado del equilibrio muestra que esta eficiencia no puede superar el 33% si se utiliza un solo material con un intervalo de banda ideal de 1,34 eV para una célula solar. [4]
El intervalo de banda (1,34 eV) de una celda ideal de unión simple es cercano al 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 simple apilando verticalmente celdas con diferentes intervalos de banda, lo que se denomina un enfoque "tándem" o "multiunión". El mismo análisis muestra que una celda de dos capas debe tener una capa ajustada a 1,64 eV y la otra a 0,94 eV, lo que proporciona un rendimiento teórico del 44%. Una celda de tres capas debe ajustarse 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 explicarían el resto. [5]
Los métodos tradicionales de preparación de silicio (cristalino) no se prestan a este enfoque debido a la falta de capacidad de ajuste de la brecha de banda. Las películas delgadas de silicio amorfo , que debido a un requisito relajado en la conservación del momento cristalino pueden lograr brechas de banda directas y entremezclado de carbono, pueden ajustar la brecha de banda, pero otros problemas han impedido que estas igualen el rendimiento de las celdas tradicionales. [6] La mayoría de las estructuras de celdas en tándem se basan en semiconductores de mayor rendimiento, en particular el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Las celdas de tres capas InGaAs/GaAs/InGaP (brechas de banda de 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 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 Bohr del excitón y, debido a consideraciones de mecánica cuántica , las energías de los electrones que pueden existir dentro de ellas se vuelven finitas, muy similares a las energías en un átomo. Los puntos cuánticos se han denominado "átomos artificiales". Estos niveles de energía se pueden ajustar modificando su tamaño, lo que a su vez define la brecha de banda. Los puntos se pueden hacer crecer en un rango de tamaños, lo que les permite expresar una variedad de brechas de banda sin cambiar el material subyacente o las técnicas de construcción. [9] En preparaciones típicas de química húmeda, la sintonización se logra variando la duración o la temperatura de la síntesis.
La capacidad de ajustar la brecha de banda 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 brecha de banda de 1,34 eV. Sin embargo, los materiales con brechas de banda más bajas serán más adecuados para generar electricidad a partir de fotones de menor energía (y viceversa). Las implementaciones de unión simple que utilizan puntos cuánticos coloidales (CQD) de sulfuro de plomo (PbS) tienen brechas de banda que se pueden ajustar en el infrarrojo lejano, frecuencias que normalmente son difíciles de alcanzar con las células solares tradicionales. La mitad de la energía solar que llega a la Tierra está en el 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 síntesis y preparación sencillas. 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. Los CQD suelen sintetizarse en lotes pequeños, pero se pueden producir en masa. Los puntos se pueden distribuir sobre un sustrato mediante recubrimiento por centrifugación , ya sea a mano o en un proceso automatizado. La producción a gran escala podría utilizar sistemas de impresión por pulverización o por rodillo, lo que reduciría drásticamente los costos de construcción del módulo.
Los primeros ejemplos utilizaban costosos procesos de epitaxia de haz molecular . 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 puntos cuánticos sin tensión. [11] Alternativamente, más tarde se desarrollaron métodos de fabricación menos costosos. Estos utilizan química húmeda (para CQD) y posterior procesamiento en solución. Las soluciones de nanopartículas concentradas se estabilizan mediante ligandos de hidrocarburos largos que mantienen los nanocristales suspendidos en la solución.
Para crear un sólido, estas soluciones se vierten [ aclaración necesaria ] y los ligandos estabilizadores largos se reemplazan con reticulantes de cadena corta. La ingeniería química de la superficie de los nanocristales puede pasivarlos mejor y reducir los estados de trampa perjudiciales que reducirían el rendimiento del dispositivo mediante la recombinación de portadores. [ aclaración necesaria ] Este enfoque produce una eficiencia del 7,0 %. [12]
Un estudio más reciente utiliza diferentes ligandos para diferentes funciones ajustando su alineación de banda relativa para mejorar el rendimiento al 8,6 %. [13] Las células se procesaron en solución en aire a temperatura ambiente y exhibieron estabilidad al aire durante más de 150 días sin encapsulación.
En 2014 se introdujo el uso de yoduro como ligante que no se une al oxígeno, lo que mantiene estables las capas 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 una 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 sus inicios y los primeros ejemplos apenas estaban disponibles.
Otro diseño de celda moderno es la celda solar sensibilizada por colorante o DSSC, por sus siglas en inglés. Las DSSC utilizan una capa de TiO2 similar a una esponja.
2como válvula semiconductora y como estructura de soporte mecánica. Durante la construcción, la esponja se llena con un colorante orgánico, típicamente rutenio -polipiridina, que inyecta electrones en el dióxido de titanio al fotoexcitarse. [16] Este colorante es relativamente caro y el rutenio es un metal raro. [17]
El uso de puntos cuánticos como alternativa a los colorantes moleculares se consideró desde los primeros días de la investigación de 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 trasero directamente en contacto con una película de puntos cuánticos, eliminando el electrolito y formando una heterojunción 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 multiunión se fabrican con una colección de múltiples materiales semiconductores. Debido a que cada material tiene una brecha de banda 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 absorción de una gama más amplia de longitudes de onda, lo que aumenta la eficiencia de conversión eléctrica de la célula.
Sin embargo, el uso de múltiples materiales hace que las células solares multiunión sean demasiado caras para muchos usos comerciales. [18] Debido a que la brecha de banda de los puntos cuánticos se puede ajustar modificando el radio de las partículas, las células multiunión se pueden fabricar incorporando semiconductores de puntos cuánticos de diferentes tamaños (y, por lo tanto, diferentes brechas de banda). 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 célula.
El telururo de cadmio (CdTe) se utiliza para celdas 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 celdas no utilizaban puntos cuánticos, pero compartían características con ellos, como la moldeación por centrifugación y el uso de un conductor de película delgada. A escalas de producción bajas, 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 a los rayos infrarrojos para producir células solares IR de eficiencia récord. La fundición por centrifugación puede permitir la construcción de células "tándem" a un coste muy reducido. Las células 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 del electrón cuando se emite desde un material de banda prohibida única. En materiales tradicionales como el silicio, la distancia desde el sitio de emisión hasta el electrodo donde se recolectan es demasiado grande para permitir que esto ocurra; el electrón experimentará 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 células de película delgada modernas siguen siendo en general menos eficientes que el silicio tradicional.
Los donantes nanoestructurados se pueden moldear como películas uniformes que evitan los problemas con los 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 establece la eficiencia máxima de una célula fotovoltaica monocapa en un 33,7 %, supone que solo se puede generar un par electrón-hueco (excitón) por fotón entrante. La generación múltiple de excitones (MEG) es una vía de relajación de excitones que permite generar dos o más excitones por fotón entrante de alta energía. [22] En la energía fotovoltaica tradicional, este exceso de energía se pierde en el material en forma de vibraciones reticulares (acoplamiento electrón-fonón). La MEG se produce 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 coulombianas 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 tasa de enfriamiento del portador caliente, lo que permite que los excitones sigan 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 sobre evidencia espectroscópica de que varios excitones podrían generarse de manera eficiente mediante la absorción de un único fotón energético en un punto cuántico. [24] Capturarlos atraparía más energía de la luz solar. En este enfoque, conocido como "multiplicación de portadores" (CM) o " generación de múltiples excitones " (MEG), el punto cuántico se ajusta para liberar múltiples pares electrón-hueco a una energía más baja en lugar de un par a alta energía. 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 la banda prohibida. [25]
En 2005, el NREL demostró la MEG en puntos cuánticos, produciendo tres electrones por fotón y una eficiencia teórica del 65%. [26] En 2007, lograron un resultado similar en silicio. [27]
En 2014, un grupo de la Universidad de Toronto fabricó y demostró un tipo de celda de tipo n de CQD utilizando PbS con un tratamiento especial para que no se una al oxígeno. La celda alcanzó una eficiencia del 8 %, apenas por debajo del récord actual de eficiencia de QD. Estas celdas crean la posibilidad de celdas "spray-on" sin recubrimiento. [28] [29] Sin embargo, estas celdas de tipo n de CQD estables al aire se fabricaron en realidad en un entorno sin oxígeno.
También en 2014, otro grupo de investigación del MIT demostró células solares ZnO/PbS estables al aire que se fabricaron en el aire y lograron una eficiencia récord certificada del 8,55 % (9,2 % en el laboratorio) porque absorbieron bien la luz, al mismo tiempo que transportaban la carga a los colectores en el borde de la célula. [30] Estas células muestran una estabilidad al aire sin precedentes para las células solares de puntos cuánticos, ya que 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 fotovoltaica de puntos cuánticos como una tecnología clave para el futuro de 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 capa de polímero estable para evitar la exposición. Se han explorado materiales de puntos cuánticos no tóxicos como los nanocristales de 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 puntos cuánticos CuInSe 2−X de UbiQD es otro ejemplo de un compuesto semiconductor no tóxico.
