En förening av kvantpunkter och organiska molekyler kan aktivera solceller så att de fångar mer av solens ljus, framgår av en färsk forskningsrapport, som har publicerats av King Abdullah University of Science and Technology, KAUST, som ligger på Saudiarabiens västkust utanför Jeddah.
Enligt de saudiska forskarna är ljuset från solen vår mest förekommande källa till förnybar energi. Lärdomen om hur man bäst kan ta vara denna strålning utgör en viktig del av lösningen för världens framtida energibehov. Forskarna har upptäckt att effektiviteten i solceller kan förstärkas genom att oorganiska halvledare i form av nanokristaller kombineras med organiska molekyler.
Organiska molekyler bidrar till överföring av kvantpunkter som i sin tur förbättrar solcellernas prestanda. Kvantpunkter är kristaller som mäter endast cirka 10 nanometer i diameter. En elektron som fångar punkterna har helt olika egenskaper jämfört med de elektroner som rör sig fritt genom ett större material.
– En av de största fördelarna med kvantpunkterna inom solcellstekniken är deras optiska egenskaper. De kan styras genom att kvantpunktens storlek kan varieras, förklarar KAUST:s biträdande professor i kemi, Omar Mohammed.
Mohammed och hans medarbetare har utvecklat kvantpunkter av bly och svavelväte för optisk energiupptagning. Dessa tenderar att vara större än punkter från andra slags material. Följaktligen kan dessa kvantpunkter absorbera ljus över ett bredare frekvensområde. Detta innebär att de också kan absorbera en större del av ljuset från solen i jämförelse med andra mindre punkter.
För att skapa en fullt fungerande solcell, måste elektroner samtidigt kunna röra sig bort från kvantpunkternas upptagningsområde och flyta mot en elektrod. Ironiskt nog hindrar ett stort antal kvantpunkter av svavelväte även upptagningen av energi. Effektiv elektronöverföring uppnåddes tidigare endast med kvantpunkter av svavelväte som var mindre än 4.3 nanometer i diameter. De orsakade dock avbrott av ljuset som skulle omvandlas.
Det nya med professor Mohammeds och hans team var att blanda kvantpunkter av varierande storlekar med molekyler från en grupp som kallas porfyriner. Forskarna visade att genom att ändra porfyrinens användning, är det möjligt att kontrollera laddningen när de större punkterna överförs. Medan en molekyl stänger av överföringen helt och hållet, aktiveras överföringen av en annan i en takt snabbare än 120 femtosekunder.
Teamet anser att denna förbättrade energialstringsförmåga beror främst på gränsskiktspänning och ett elektrostatiskt samspel mellan den negativt laddade ytan hos kvantpunkten och positivt laddade porfyriner.
– De har även mycket intressanta fotofysikaliska egenskaper: De producerar effektivt laddningsbärare som är mycket rörliga. Allt tyder på att det beror på en ytterligare mekanism, bildning av indirekta bandgap, som spelar en viktig roll i solceller, säger professor Mohammed.
Naturen använder porfyriner i hemoglobin och klorofyll där dessa organiska färgämnen omvandlar ljus till kemisk energi.
