Материалы для солнечных батарей
Создание солнечных батарей является одной из перспективных областей применения коллоидных квантовых точек. В 1992 г. M.Gratzel предложил подход к созданию солнечных батарей, основанный на использовании материалов с большой удельной поверхностью (например, нанокристаллического TiO2). Активировация к видимому диапазону спектра достигается добавлением фотосенсибилизатора (некоторые органические красители). Квантовые точки могут прекрасно выступать в роли фотосенсибилизатора, поскольку позволяют управлять положением полосы поглощения. Другими немаловажными достоинствами являются высокий коэффициент экстинкции (возможность поглощения значительной доли фотонов в тонком слое) и высокая фотостабильность, присущая неорганическому ядру. Поглощенный квантовой точкой фотон приводит к образованию фотовозбужденных электрона и дырки, которые могут переходить в электронно- и дырочно-транспортные слои, как схематично показано на рисунке. В качестве таких транспортных слоев могут выступать проводящие полимеры n- и p-типов проводимости, в случае электрон транспортного слоя по аналогии с элементом Gratzel возможно использование пористых слоев оксидов металлов. Подобные солнечные батареи имеют такое немаловажное достоинство, как возможность содания гибких элементов при нанесении слоев на полимерные подложки, а также относительную дешевизну и простоту изготовления.
Одна из таких плодотворных идей связана с использованием коллоидных полупроводниковых квантовых точек (КТ) в органических и гибридных солнечных батареях. Интерес к КТ как активным компонентам солнечных батарей обусловлен рядом факторов, в том числе их высокой стабильностью, возможностью настройки ширины запрещенной зоны и положения уровней энергии КТ за счет изменения их размера, а также относительно простой технологией синтеза КТ с использованием коллоидных методов. Несмотря на то, что активные исследования в этой области начали проводиться относительно недавно, максимальная эффективность преобразования энергии солнечными батареями с КТ уже достигла 5.5%. В настоящее время рассматриваются следующие конструкции солнечных батарей с КТ: 1) фотоэлементы Шоттки; 2) объемный гетеропереход на основе КТ и сопряженных полимеров; 3) гетеропереход, сформированный КТ p-n типа; 4) ячейки Гретцеля, сенсибилизированные КТ. Кроме того, буквально в последние 2-3 года было обнаружено два уникальных свойства КТ, которые позволяют существенно повысить КПД солнечных элементов. Одно из них связано с эффектом многоэкситонной генерации, когда поглощение одного кванта света приводит к созданию сразу 2-3 экситонов в одной КТ. Другой эффект связан с тем, что в КТ за счет дискретизации спектра электронных состояний в зоне проводимости наблюдается резкое замедление скорости термической релаксации «горячих» электронов. Это также приводит к значительному увеличению КПД.
FigureA Schematic structure of an organic-silicon NCs hybrid solar cell. Thin films of PEDOT:PSS and Si NCs/P3HT were spun sequentially on transparent ITO coated glass substrate. Aluminum metal electrode is deposited on the top. The energy band diagram of the structure is shown