Quantum Dots and Their Use in Solar Cells
الكلمات المفتاحية:
النقاط الكمومية، الخلايا الشمسية، توليد الإكسيتونات المتعددة، البلورات النانوية، الكهروضوئية، تحويل الطاقة.الملخص
لقد حظيت النقاط الكمومية (Quantum Dots - QDs) باهتمام كبير بصفتها موادًا متقدمة لامتصاص الضوء في أنظمة الخلايا الكهروضوئية، وذلك بفضل فجواتها الطاقية القابلة للضبط، ومعاملات الامتصاص العالية، وإمكانية توليد إكسيتونات متعددة .(MEG) وتوفر هذه المواد شبه الموصلة النانوية طريقًا لتجاوز حدود كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية من خلال التوليف الطيفي وتعزيز آليات تحويل الفوتونات إلى إلكترونات. يستعرض هذا البحث الخصائص الأساسية للنقاط الكمومية ذات الصلة بتحويل الطاقة الشمسية، بما في ذلك سلوك الحصر الكمومي، وديناميكيات حوامل الشحنة، وطرق التخليق. كما يتناول التطورات الحديثة في تصميمات الخلايا الشمسية المعتمدة على النقاط الكمومية مثل الخلايا الحساسة، وخلايا الوصلات غير المتجانسة، والخلايا الترادفية مع تسليط الضوء على مؤشرات الأداء، وتحديات التكامل، والاعتبارات البيئية. وأخيرًا، يُعرض البحث التوجهات المستقبلية في مجال الخلايا الشمسية القائمة على النقاط الكمومية، مثل استخدام مواد غير سامة، وأساليب تصنيع قابلة للتوسع، والاستعانة بالذكاء الاصطناعي لاكتشاف المواد. تؤكد هذه الرؤى على الإمكانيات التحولية للنقاط الكمومية في تطوير تقنيات شمسية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة.
التنزيلات
المراجع
[1].Alivisatos, A. P. ”Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.” Science 271, no. 5251 (Febru- ary 16, 1996): 933–937. https://doi.org/ HYPERLINK "https://doi.org/10.1126/science.271.5251.933"10.1126 HYPERLINK
[2] Beard, Matthew C., Kelly P. Knutsen, Pingrong Yu, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt K. Metzger, Randy
J. Ellingson, and Arthur J. Nozik. ”Multiple Exciton Generation in Colloidal Silicon Nanocrystals.” Nano Letters 7, no. 8 (August 8, 2007): 2506–2512. HYPERLINK ""https://doi.org/10.1021/nl071486l"071486
[3] Beard, Matthew C., Joseph M. Luther, and Arthur J. Nozik. ”The Promise and Challenge of Nanostructured Solar Cells.” Nature Nanotechnology 9, no. 12 (December 2014):951–954. https://doi.org/ HYPERLINK "https://doi.org/10.1126/science.271.5251.
[4] Bodnarchuk, Maryna I., Leon G. Feld, Chenglian Zhu, Simon C. Boehme, Federica Bertolotti, Jonathan Avaro, Marcel Aebli, et al. ”Colloidal Aziridinium Lead Bromide Quantum Dots.” ACS Nano 18, no. 7 (February 20, 2024): 5684–5697. https://doi.org/ HYPERLINK 1579 HYPERLINK "https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11579".
[5] Butler, Keith T., Daniel W. Davies, Hugh Cartwright, Olexandr Isayev, and Aron Walsh. ”Machine Learning for Molecular and Materials Science.” Nature 559, no. 7715 (July 2018): 547–555. https://doi.org/ https://doi.org/ HYPERLINK "https://doi.org/10.1126/
[6] Flory, F., Yj Chen, L. Escoubas, Jj Simon, P. Torchio, V. Brissonneau, D. Duche´, and R. Bouffaron. ”Quantum Confinement and Optical Properties of Nanostructured Thin Films.” In Optical Interference Coatings, WB1. Tucson, Arizona: OSA, 2010.
[7] Green, Martin A., Anita Ho-Baillie, and Henry J. Snaith. ”The Emergence of Perovskite Solar Cells.” Nature Photonics 8, no. 7 (July 2014): 506–14. "https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.134"2014.134HYPERLINK .
[8] Kamat, Prashant V. ”Quantum Dot Solar Cells. The Next Big Thing in Photovoltaics.” The Journal of Physical Chemistry Letters 4, no. 6 (March 21, 2013): 908–18.
[9] Kim, Jaehyun, Seungho Song, Yong-Hoon Kim, and Sung Kyu Park. ”Recent Progress of Quantum Dot- Based Photonic Devices and Systems: A Comprehensive Review of Materials, Devices, and Applications.” Small Structures 2, no. 3 (March 2021). "https://doi.org/10.1002/sstr.202000024".
[10] Klimov, Victor I. ”Nanocrystal Quantum Dots: From Fundamental Photophysics to Multicolor Lasing,” 2014, 29, 214–223.
[11] Koh, Weon-kyu, Adam C. Bartnik, Frank W. Wise, and Christopher B. Murray. ”Synthesis of Monodisperse PbSe Nanorods: A Case for Oriented Attachment.” Journal of the American Chemical Society 132, no. 11 (March 24, 2010): 3909–13.
[12] Koleilat, Ghada I., Larissa Levina, Harnik Shukla, Stefan H. Myrskog, Sean Hinds, Andras G. Pattantyus- Abraham, and Edward H. Sargent. ”Efficient, Stable Infrared Photovoltaics Based on Solution-Cast Col- loidal Quantum Dots.” ACS Nano 2, no. 5 (May 1, 2008): 833–40.
[13] Maksym V. ”Opportunities and Challenges for Quantum Dot Photovoltaics.” Nature Nanotech- nology 10, no. 12 (December 2015): 994–97.
[14] Luo, Jun-Wei, Alberto Franceschetti, and Alex Zunger. ”Carrier Multiplication in Semiconductor Nanocrys- tals: Theoretical Screening of Candidate Materials Based on Band-Structure Effects.” Nano Letters 8, no. 10 (October 8, 2008): 3174–81.
[15] Maurano, Andrea, Rick Hamilton, Chris G. Shuttle, Amy M. Ballantyne, Jenny Nelson, Brian O’Regan, Weimin Zhang, et al. ”Recombination Dynamics as a Key Determinant of Open Circuit Voltage in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells: A Comparison of Four Different Donor Polymers.” AdvancedMaterials22,no.44(November24,):4987–92.
[16] McGuire, John A., Jin Joo, Jeffrey M. Pietryga, Richard D. Schaller, and Victor I. Klimov. ”New Aspects of Carrier Multiplication in Semiconductor Nanocrystals.” Accounts of Chemical Research 41, no. 12 (Decem- ber 16, 2008): 1810–19. "https://doi.org/10.1021/ar800112v"v.
[17] Murray, C. B., C. R. Kagan, and M. G. Bawendi. ”Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrys- tals and Close-Packed Nanocrystal Assemblies.” Annual Review of Materials Science 30, no. 1 (August 2000):545–610. HYPERLINK ""https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.30.1.545".
[18] Murray, C. B., D. J. Norris, and M. G. Bawendi. ”Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE (E = Sulfur, Selenium, Tellurium) Semiconductor Nanocrystallites.” Journal of the American Chemical Society 115, no. 19 (September 1, 1993): 8706–15. HYPERLINK "https://doi.org/10.1021/ja00072a025".
[19] Nozik, A.J. ”Quantum Dot Solar Cells." Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures" 14, no. 1–2 (April 2002): 115–20.
[20] iccarda Caputo, ChristopherH. Hendon, Ruo Xi Yang, Aron Walsh, and Maksym V. Kovalenko. ”Nanocrystals of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, and I): Novel Optoelectronic Materials Showing Bright Emission with Wide Color Gamut.” Nano Letters 15, no. 6 (June 10, 2015): 3692–96. HYPERLINK "https://doi.org/10.1021/nl5048779"10.1021 .
[21] Reiss, Peter, Marie Carrie`re, Christophe Lincheneau, Louis Vaure, and Sudarsan Tamang. ”Synthesis of Semiconductor Nanocrystals, Focusing on Nontoxic and Earth-Abundant Materials.” Chemical Reviews 116, no. 18 (September 28, 2016): 10731–819. HYPERLINK "https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00116"00116.
[22] Sargent, Edward H. ”Colloidal Quantum Dot Solar Cells.” Nature Photonics 6, no. 3 (March 2012): 133–35. HYPERLINK "https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.33"2012.33 .
[23] Shockley, William, and Hans J. Queisser. ”Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells.” Journal of Applied Physics 32, no. 3 (March 1, 1961): 510–19. "https://doi.org/10.1063/1.1736034"10.1063 ".Swarnkar, Abhishek, Ashley R. Marshall, Erin M.
[24] Sanehira, Boris D. Chernomordik, David T. Moore,Jeffre A. Christians, Tamoghna Chakrabarti, and Joseph M. Luther. ”Quantum Dot–Induced PhaseStabilization of-CsPbI3 Perovskite for High-Efficiency Photovoltaics.” Science 354, no. 6308 (October 7, 2016): 92–95. "https://doi.org/10.1126/science.aag2700"10.1126
[25] Tian, Yuxi, Maximilian Peter, Eva Unger, Mohamed Abdellah, Kaibo Zheng, To˜nu Pullerits, Arkady Yart- sev, Villy Sundstro¨m, and Ivan G. Scheblykin. ”Mechanistic Insights into Perovskite Photoluminescence Enhancement: Light Curing with Oxygen Can Boost Yield Thousandfold.” Physical Chemistry Chemical Physics 17, no. 38 (2015): 24978–87. "https://doi.org/10.1039/c5cp04410c"04410 HYPERLINK .
[26] Yan, Shikai, Sheng Tang, Manman Luo, Lu Xue, Shilin Liu, Elias Emeka Elemike, Byung Seong Bae, et al. ”Surface Passivation by Congeneric Quantum Dots for High-Performance and Stable CsPbBr3-Based Photodetectors.” Journal of Materials Chemistry C9,no.31(2021): 10089–100. "https://doi.org/10.1039/d1tc01933c"01933
