Kropki kwantowe od dawna są nadzieją badaczy na rozwój wysokowydajnych technologii. Naukowcy z Los Alamos National Laboratory w Stanach Zjednoczonych oraz University of Milano-Bicocca (UNIMIB) we Włoszech opracowali nowej generacji kropki kwantowe umieszczone w matrycy przezroczystego polimeru. Natomiast badacze z Uniwersytetu w Toronto opracowali rozwiązanie, które pozwala na tworzenie koloidalnych kropek kwantowych na różnych powierzchniach w bardzo prostej formie.

Reklama

Zrealizowane do tej pory badania nad koloidalnymi kropkami kwantowymi budziły ogromne nadzieje naukowców nie tylko w branży fotowoltaicznej. Kropki te, dzięki tworzeniu specjalnych sfer ograniczonych istnieniem różnicy potencjału, wyłapują wiązki światła. Mimo wielkich nadziei spowodowanych badaniami, problem w wykorzystaniu stanowił sposób produkcji funkcjonalnych, efektywnie konwertujących energię słoneczną do energii elektrycznej elementów. Tegoroczne osiągnięcia naukowców stanowią ważny krok w kierunku komercjalizacji prowadzonych projektów.

Kropki kwantowe stanowią półprzewodnikowe układy, które są ograniczone barierami potencjału w trzech wymiarach. Zachodzi w nich wiązanie się elektronów. Wytwarzanie takich układów jest możliwe w wyniku utworzenia struktury poprzez litografię, metody epitaksjalnego wzrostu kryształów lub też na drodze syntezy wewnątrzmicelarne. Każda kropka kwantowa posiada poziomy energetyczne odpowiadające poziomom atomowym. W wyniku działania światła, następuje przejście do wyższych stanów energetycznych, w wyniku czego zachodzi emisja promieniowania, będąca skutkiem powrotu do stanów o mniejszych poziomach energii. Wykorzystuje się je m.in. do produkcji laserów, znaczników medycznych, nośników leków, diod elektroluminescencyjnych.

Nowej generacji kropki kwantowe, które badacze amerykańscy i włoscy umieścili w matrycy transparentnego polimeru pozwalają, aby przezroczysta szyba mogła pełnić funkcję panelu fotowoltaicznego. Dzięki temu stosowane w życiu codziennym przeszklenia będą mogły absorbować energię promieniowania słonecznego i przekształcać ją w energię elektryczną. Projekt budzi szczególne nadzieje na zastosowanie go w generowaniu energii elektrycznej przez szyby zamieszczone w budynkach.

Projekt ten stanowi luminescencyjny koncentrator energii słonecznej w formie płyty lub folii polimerowej z centrami (kropkami) luminescencyjnymi. Umożliwiają one pochłanianie padającego promieniowania słonecznego. Natomiast polimerowa matryca pełni funkcję światłowodu. Układ taki ograniczony jest krawędziami, gdzie znajdują się ogniwa fotowoltaiczne. Kropki kwantowe pełnią funkcję anten wyłapujących światło, umożliwiają zbieranie promieniowania słonecznego z dużego obszaru i skupianie na mniejszej powierzchni ogniw PV. Odpowiedzialne są zatem za absorbcję promieniowania, które przesyłane jest następnie do krawędzi koncentratora. Tam zachodzi konwersja na energię elektryczną.

Wykorzystane tu kropki kwantowe posiadały w swojej strukturze selenek kadmu i siarczek kadmu. Absorpcja światła następowała na powierzchni siarczku kadmu, natomiast emisja we wnętrzu selenku kadmu. Odseparowanie tych funkcji między dwoma elementami przyczyniło się do redukcji strat podczas ponownego pochłaniania promieniowania. Od kilku lat na rynku można obserwować stosowanie w szybach związków chemicznych wykorzystywanych do produkcji paneli fotowoltaicznych. Tak przygotowane szyby wymagają barwienia, a najlepsze efekty pracy uzyskują te z kolorem czarnym, zielonym, czerwonym i niebieskim. Jednak, aby móc rozpocząć masowa produkcję przeszkleń z wykorzystaniem kropek kwantowych konieczne jest dalsze prowadzenie badań.

Opracowana przez naukowców z Toronto technologia umożliwi opracowanie panelu fotowoltaicznego o wysokiej jakości. Badania polegały na umieszczaniu koloidalnych kropek kwantowych w bardzo prostej formie na różnych powierzchniach. Mieszaninę z kropkami można wykorzystywać jak zwykłą farbę, może ona być rozpylana na powierzchni w formie sprayu lub też użyta w procesie podobnym do druku gazetowego. Produkt ten będzie mógł być zastosowany na szeroką skalę, zarówno w celach indywidualnych, jak i przy tworzeniu dużych komercyjnych instalacji. Jest to sposób łatwy w użyciu, a także pozwalający na stworzenie cienkiej, funkcjonalnej warstwy, dzięki wykorzystaniu zjawisk fizycznych. Póki co wydajność konwersji jest na poziomie 8,1 proc. Mimo tak niskiej sprawności rozwiązanie to daje możliwość opracowania nowych struktur działających jak tradycyjne panele fotowoltaiczne. Ponadto pozwoli znacznie zwiększyć powierzchnię, którą potencjalnie można wykorzystać do produkcji odnawialnej energii na całym świecie.