Квантовые точки в солнечной энергетике

Совместный проект Национальной Лаборатории в Лос-Аламосе и итальянского Университета Милано-Бикокка (UNIMIB) продемонстрировал, что светоизлучающие свойства квантовых точек могут способствовать более эффективному преобразованию в электричество солнечной энергии.

Люминесцентный солнечный концентратор (LSC), это брусок прозрачного материала, содержащий высокоэффективные излучатели — молекулы красителей или квантовые точки. Поглощаемый свет переизлучается ими с большей длиной волны и направляется к торцу бруска, где концентрируется на солнечных батареях.

Вдобавок к увеличению эффективности преобразования энергии, LSC интересны тем, что позволяют реализовать концептуально новые решения, такие как фотоэлектрические окна, превращающие весь фасад здания в солнечную панель.

Применению квантовых точек в таких устройствах до последнего времени мешало перекрывание диапазонов поглощения и излучения. Это приводило к потерям из-за повторного поглощения квантовыми точками генерируемого ими же света. Преодолеть затруднение удалось благодаря разработке в Лос-Аламосе «гигантских» (диаметр около 100 ангстрем) квантовых точек с искусственно введенном большим интервалом (стоксовым сдвигом) между двумя полосами частот.

Такие квантовые точки образованы толстой внешней оболочкой из светопоглощающего сульфида кадмия, окружающей светоизлучающее ядро селенида кадмия. Разделение функций между двумя разными частями наноструктуры приводит к большому спектральному смещению эмиссии по отношению к поглощению и снижению потерь на повторную абсорбцию.

Спектроскопические измерения изготовленных итальянскими участниками проекта образцов — больших блоков полиметилметакрилата с внедренными квантовыми точками — показали практически полное отсутствие потерь на расстояниях в десятки сантиметров. В тестах с симулированным солнечным излучением фотонная эффективность составляла приблизительно 10% на каждый поглощенный фотон.

Несмотря на высокую прозрачность опытных образцов, делающую их пригодными для использования в фотоэлектрических окнах, созданные в них структуры обеспечивали увеличение солнечного потока с коэффициентом концентрации более четырех.

Как указывается в статье, опубликованной в Nature Photonics, полученные результаты свидетельствуют, что квантовые точки с модифицированным стоксовым смещением являются перспективным материалом для создания крупномасштабных LSC с независимо регулируемыми спектрами излучения и поглощения.