Cèl·lula solar de punt quàntic
Una cèl·lula solar de punt quàntic (QDSC) és un disseny de cèl·lula solar que utilitza punts quàntics com a material fotovoltaic absorbent. Intenta substituir materials a granel com el silici, el seleniur de coure indi gal·li (CIGS) o el telurur de cadmi (CdTe). Els punts quàntics tenen bandes intermitents que es poden ajustar a una àmplia gamma de nivells d'energia canviant la seva mida. En materials a granel, la banda intermèdia es fixa mitjançant l'elecció del material (s). Aquesta propietat fa que els punts quàntics siguin atractius per a cèl·lules solars multiunió, on s'utilitzen diversos materials per millorar l'eficiència mitjançant la recollida de múltiples porcions de l'espectre solar.
A partir del 2022, l'eficiència supera el 18,1%.[1] Les cèl·lules solars de punt quàntic tenen el potencial d'augmentar l'eficiència de conversió termodinàmica màxima assolible de la conversió de fotons solars fins a un 66% utilitzant portadors fotogenerats calents per produir fotovoltatges més alts o fotocorrents més alts.[2]
En una cèl·lula solar convencional, la llum és absorbida per un semiconductor, produint un parell electró-forat (eh); la parella pot estar lligada i es coneix com a excitó. Aquest parell està separat per un potencial electroquímic intern (present a les unions pn o díodes Schottky) i el flux resultant d'electrons i forats crea un corrent elèctric. El potencial electroquímic intern es crea dopant una part de la interfície semiconductora amb àtoms que actuen com a donants d'electrons (dopatge de tipus n) i una altra amb acceptors d'electrons (dopatge de tipus p) que dóna lloc a una unió pn. La generació d'un parell eh requereix que els fotons tinguin una energia que superi la banda intercalada del material. Efectivament, els fotons amb energies inferiors a la banda buida no s'absorbeixen, mentre que els que són més alts poden termalitzar ràpidament (en uns 10-13 s) a les vores de la banda, reduint la sortida. La primera limitació redueix el corrent, mentre que la termalització redueix la tensió. Com a resultat, les cèl·lules semiconductors pateixen una compensació entre voltatge i corrent (que es pot alleujar en part mitjançant l'ús de múltiples implementacions d'unió). El càlcul detallat del balanç mostra que aquesta eficiència no pot superar el 33% si s'utilitza un sol material amb un interval de banda ideal d'1,34 eV per a una cèl·lula solar.[3]
La bretxa de banda (1,34 eV) d'una cèl·lula ideal d'unió única és propera a la del silici (1,1 eV), una de les moltes raons per les quals el silici domina el mercat. Tanmateix, l'eficiència del silici està limitada a un 30% (límit de Shockley-Queisser). És possible millorar una cèl·lula d'unió única apilant verticalment cèl·lules amb diferents bandes intermitents, anomenada enfocament "tàndem" o "multi-unió". La mateixa anàlisi mostra que una cel·la de dues capes hauria de tenir una capa sintonitzada a 1,64 eV i l'altra a 0,94 eV, proporcionant un rendiment teòric del 44%. Una cel·la de tres capes s'ha de sintonitzar a 1,83, 1,16 i 0,71 eV, amb una eficiència del 48%. Una cèl·lula de "capa infinita" tindria una eficiència teòrica del 86%, amb altres mecanismes de pèrdua termodinàmica que representen la resta.[4]
Els mètodes tradicionals de preparació de silici (cristal·lí) no es presten a aquest enfocament a causa de la manca de sintonització del bandgap. Les pel·lícules primes de silici amorf, que a causa d'un requisit relaxat en la preservació de l'impuls del cristall poden aconseguir bandes intermitents directes i la barreja de carboni, poden ajustar la banda intercalada, però altres problemes han impedit que coincideixin amb el rendiment de les cèl·lules tradicionals.[5] La majoria d'estructures de cèl·lules en tàndem es basen en semiconductors de major rendiment, especialment l'arsenur d'indi gal·li (InGaAs). Les cèl·lules InGaAs/GaAs/InGaP de tres capes (bandaps 0,94/1,42/1,89 eV) tenen el rècord d'eficiència del 42,3% per als exemples experimentals.[6]