پژوهشگران آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) در وزارت انرژی ایالات متحده موفق شدند رکوردی جدید در بهره‌وری سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات ثبت کنند.

کوانتوم دات‌های کلوییدی، موادی الکترونیکی هستند و به سبب اندازه‌ی بسیار کوچک خود (معمولا ۳ تا ۲۰ نانومتر)، خواص نوری فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند. سال ۲۰۱۱ بود که سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات به‌عنوان جدیدترین فناوری برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته با بهره‌وری بالا در چارت‌های آزمایشگاه NREL ظاهر شدند. نخستین سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات با سولفید سرب ساخته شدند و بهره‌وری آن‌ها ۲.۹ درصد بود. سال گذشته دانشگاه تورنتو توانست بازده این سلول‌های خورشیدی را به عددی دورقمی، یعنی ۱۲ درصد برساند. این بهبود به سبب درک بهتر اتصالات بین واحدهای جداگانه کوانتوم دات، بهتر شدن ساختار کلی دستگاه و کاهش نقص‌های کوانتوم دات‌ها حاصل شد.

در آخرین پیشرفت در زمینه‌ی سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات، از ماده‌ای کاملا متفاوت استفاده شده است. این کوانتوم دات جدید، سرب سزیم تری‌یدید (CsPbI3) و عضوی از جدیدترین خانواده‌ی‌ هالید پروسکایت‌ است. سرب سزیم تری‌یدید در حالت کوانتوم دات خود ولتاژی بسیار زیاد (در حدود ۱.۲ ولت) در مدارهای باز تولید می‌کند.

جوزف لوتر، دانشمند ارشد و مدیر پروژه در گروه مواد شیمیایی و دانش نانو در آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، می‌گوید:

این ولتاژ که با بند گپ این ماده ترکیب شده است، سرب سزیم تری‌یدید را به گزینه‌ای مناسب برای لایه‌ی بالایی سلول‌های خورشیدی مولتی جانکشن تبدیل می‌کند.

سلول خورشیدی مولتی جانکشن، نوعی از سلول‌های خورشیدی است که اتصال‌های p-n متعددی دارد و هر یک از این اتصال‌ها از مواد نیمه رسانای متفاوتی ساخته شده است. سلول بالایی در سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات باید بازده زیادی داشته باشد و در عین حال شفاف باشد تا امواج نور خورشید بتوانند به لایه‌های پایینی برسند. سلول‌های تاندم نسبت به پنل‌های خورشیدی سیلیکونی که بازار را قبضه کرده‌اند، بازده بیشتری دارند.

جوزف لوتر و ارین ساهارینا

این پیشرفت در مقاله‌ای با عنوان «آرایه‌های کوانتوم دات CsPbI3 با پویایی بهبودیافته در سلول‌های فتوولتاییک ولتاژ بالا با رکورد بازدهی» در ژورنال Science Advances منتشر شده است. در نوشتن این مقاله، ارین ساهارینا، اشلی مارشال، جفری کریستن، استیون‌هاروی، پیتر سیزیلسکی، لنس ویلر، فیلیپ شولز و متیو برد از آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر و لین لین از داشنگاه واشنگتن همکاری کردند.

رویکرد مولتی جانکشن اغلب برای کاربردهای فضایی استفاده می‌شود. در این موارد، بازده بالا، مهم‌تر از قیمت تمام‌شده‌ی سلول خورشیدی است. پروسکایت کوانتوم دات که توسط لوتر و گروه مشترک آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر و دانشگاه واشنگتن توسعه داده شده است، می‌تواند با فیلم‌های نازک پروسکایتی و ارزان جفت شود و بازدهی به اندازه‌ی سلول‌های خورشیدی فضایی داشته باشد؛ اما قیمت آن از پنل‌های خورشیدی سیلیکونی ارزان‌تر باشد. به این ترتیب این سلول‌ها به فناوری ایده‌آلی برای کاربردهای زمینی و فضایی تبدیل می‌شوند.

ارین ساهارینا، دانشجوی دکترای دانشگاه واشنگتن که در NERL پژوهش می‌کند، می‌گوید:

در بیشتر مواقع، مواد استفاده‌شده در کاربردهای فضایی و سقف خانه‌ها کاملا متفاوت هستند. دیدن پیکربندی‌هایی که می‌توانند برای هر دو مورد مناسب باشند، هیجان‌انگیز است.

پژوهش آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر بودجه‌ی خود را از دفتر علوم وزارت انرژی تأمین می‌کند؛ اما ساهارینا و لین کمک هزینه‌ی تحصیلی و پژوهشی خود را از ناسا می‌گیرند.

NREL آزمایشگاه ملی زیر نظر وزارت انرژی ایالات متحده است که وظیفه‌ی تحقیق و توسعه‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر و بازده آن‌ها را بر عهده دارد.