Инженерный подход к разработке чернил повышает эффективность и снижает стоимость фотоэлектрических элементов на основе квантовых точек

Коллоидные квантовые точки — это крошечные полупроводниковые частицы размером всего в несколько нанометров, которые синтезируются в жидком растворе (то есть в коллоиде). Эти монокристаллические частицы, полученные путём расщепления объёмных материалов с помощью химических и физических процессов, оказались перспективными для разработки фотоэлектрических технологий.

Солнечные батареи на основе квантовых точек могут обладать различными преимуществами, в том числе настраиваемой шириной запрещённой зоны, большей гибкостью и возможностью обработки в растворе. Однако солнечные батареи на основе квантовых точек, разработанные на сегодняшний день, имеют значительные ограничения, в том числе более низкую эффективность по сравнению с обычными солнечными батареями на основе кремния и высокую стоимость производства из-за дорогостоящих процессов, необходимых для синтеза проводящих плёнок из квантовых точек.

Исследователи из Университета Сучжоу в Китае, Университета электрокоммуникаций в Японии и других институтов по всему миру недавно представили новый метод, который потенциально может помочь повысить эффективность фотоэлектрических элементов на основе квантовых точек, а также снизить затраты на их производство. Их предложенный подход, описанный в статье, опубликованной в Nature Energy, предполагает создание чернил на основе квантовых точек из сульфида свинца (PbS), которые используются для печати плёнок для солнечных батарей.

«Когда люди говорят о коллоидных квантовых точках, в первую очередь на ум приходят их чрезвычайно привлекательные квантовые свойства, зависящие от размера, а также совместимость с недорогими методами изготовления на основе растворов, которые открывают захватывающие возможности для полупроводниковых материалов нового поколения, особенно для печатных солнечных батарей и оптоэлектронных устройств, — рассказали Tech Xplore соавторы статьи Гочжэн Ши и Цзэке Лю. - Однако эти потенциальные области применения часто затмеваются сложными и дорогостоящими процессами синтеза и производства, необходимыми для получения проводящих плёнок CQD».

Сложные и дорогостоящие процессы, которые в настоящее время используются для производства проводящих плёнок CQD, имеют ограниченный выход, а стоимость активных слоёв CQD составляет от 0,25 до 0,84 доллара за ватт-час, что слишком дорого для их коммерциализации. Более того, существующие процессы обеспечивают ограниченный контроль над качеством материалов и, следовательно, получаемых солнечных батарей.

«До нашей работы солнечные модули CQD площадью более 10 см² достигали лишь ~1% эффективности преобразования энергии (PCE), что резко контрастировало с более чем 12% PCE устройств лабораторного масштаба (0,04 см²), — сказал Лю. — Этот разрыв в эффективности в сочетании с дорогостоящими и сложными методами, включающими горячую инжекцию и обмен лигандами, делал фотовольтаику CQD практически непрактичной в промышленных масштабах. Разрыв в эффективности, наряду с дорогостоящими методами, сделал коммерческую фотовольтаику на основе CQD непрактичной».

Основной целью недавней работы Лю и его коллег было облегчить дальнейшее развитие фотоэлементов на основе квантовых точек, что позволило бы производить недорогие и эффективные солнечные батареи большой площади. Чтобы достичь этой цели, они представили новый подход к разработке чернил, который мог бы способствовать производству плёнок из квантовых точек.

«Чтобы создать проводящие плёнки из квантовых точек большой площади, эти частицы должны быть равномерно и плотно уложены, сохраняя при этом своё индивидуальное состояние для сохранения квантовых эффектов, — объяснил Лю. — Любое несоответствие в размере или укладке может привести к потере энергии, что негативно скажется на характеристиках полупроводника. Это представляет собой тонкий баланс между укладкой квантовых точек и дизайном лигандов».

Традиционные подходы к созданию CQD основаны на методе горячей инжекции для получения квантовых точек, покрытых длинноцепочечными изолирующими лигандами, с последующим обменом лигандов на более короткие цепочки, что повышает проводимость плёнки. Эти подходы являются дорогостоящими и сложными, поэтому их трудно воспроизвести в больших масштабах.

«Процессы лигандного обмена увеличивают как сложность, так и материальные затраты, а также приводят к агрегации и морфологическим дефектам, затрудняя достижение однородности на больших площадях, — сказал Лю. – В отличие от этого, наш подход использует метод прямого синтеза для приготовления чернил CQD».

Новый метод разработки чернил, предложенный Лю и его коллегами, позволяет синтезировать CQD с ионной оболочкой непосредственно в полярном растворителе, что устраняет необходимость в сложных процессах обмена лигандами. Используя этот подход, исследователи смогли за один этап напечатать плотно упакованные проводящие плёнки CQD.

«Чтобы свести к минимуму агрегацию и слипание, мы контролируем химическую среду чернил, используя стратегию разработки химических растворов для точной настройки ионных конфигураций и функциональности, — сказал Лю. — Упрощённая технология квантовых точек и улучшенная стабильность чернил позволяют получать стабильные чернила CQD с меньшим количеством дефектов, что даёт возможность крупномасштабного производства тонких плёнок с квантовыми точками и фотоэлектрических устройств по цене менее 0,06 доллара за ватт-час».

Ши, Лю и их коллеги протестировали предложенный ими подход в ходе серии испытаний и показали, что он позволяет получать высокостабильные чернила на основе квантовых точек. Кроме того, они обнаружили связь между поверхностными и необратимыми взаимодействиями квантовых точек и дефектами, присутствующими в напечатанных плёнках CQD, а также эффективность солнечных батарей большой площади на основе этих плёнок.

«Наши усилия привели к созданию первого солнечного модуля CQD большой площади с сертифицированной эффективностью преобразования энергии, превышающей 10%, что стало значительным шагом вперёд на пути к коммерциализации фотоэлектрических систем на основе CQD, — сказал Лю. – Кроме того, мы создали высокоэффективный солнечный элемент малой площади с КПД 13,40%, установив новый эталон для технологии CQD. Эти достижения имеют решающее значение, поскольку они устраняют проблемы масштабируемости и стоимости, которые долгое время ограничивали широкое применение солнечных элементов CQD».

Это недавнее исследование может вскоре способствовать разработке недорогих, крупномасштабных и высокоэффективных солнечных батарей на основе квантовых точек и других оптоэлектронных устройств, таких как датчики ближнего инфракрасного диапазона или инструменты для исследования космоса.

В рамках своих следующих исследований Лю и его коллеги планируют усовершенствовать чернила, полученные с помощью их подхода, так как это может привести к созданию солнечных батарей с ещё более высокой эффективностью, а также расширить возможности их применения в реальных условиях.

«Мы изучим возможность адаптации технологии для различных квантовых точек, в том числе с низкой токсичностью, и гибкой электроники, — добавил Лю. – Кроме того, мы изучим возможность их использования в таких областях, как коротковолновые инфракрасные камеры — важнейшие компоненты для развития доступных технологий искусственного интеллекта, таких как автономные транспортные средства, умные роботы и промышленная автоматизация. В конечном счёте наша цель — масштабировать эту технологию для коммерческого производства, снизив как затраты, так и воздействие электроники на основе квантовых точек на окружающую среду».

Источник: Tech Xplore