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Los calcogenuros ternarios a base de Cu han mostrado un gran potencial como reemplazos baratos y benignos para el medio ambiente de los fotosensibilizadores a base de metales pesados. Los puntos cuánticos de selenio a base de Cu fabricados por reacción y adsorción de capas de iones secuenciales (SILAR) tienen una banda prohibida de energía ideal, fotosensibilidad atractiva y absorción de luz.
![Puntos cuánticos de Cu/selenio propuestos para células solares verdes](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39699_16637704935026566.jpg)
Estudio: puntos cuánticos CuBiSe2 como fotosensibilizadores ecológicos para células solares. Crédito de la foto: Gyuszko-Photo/Shutterstock.com
Estas propiedades beneficiosas motivaron un estudio publicado en la revista ACS Sustentable Química y Tecnologíaque investigó los puntos cuánticos de selenio a base de Cu como sensibilizadores de luz para aplicaciones de energía solar ecológica.
El uso de estos materiales benignos y abundantes junto con un proceso de sol-gel de baja temperatura podría cubrir los costos de fabricación y también ser respetuoso con el medio ambiente.
La lucha por la fotovoltaica verde
El desarrollo de materiales fotovoltaicos (PV) de alto rendimiento a partir de componentes no tóxicos y abundantemente disponibles es un enfoque clave para satisfacer las demandas de energía en constante aumento.
Las sustancias de banda prohibida estrecha que han evolucionado para este uso durante la última década son en su mayoría calcogenuros y haluros de roca dura. Sin embargo, el uso de estas moléculas en futuros sistemas fotovoltaicos está en entredicho debido a la subida de precios, problemas de disponibilidad y posibles daños medioambientales.
Si bien este estudio se centró en mitigar los problemas de toxicidad ambiental causados por estos elementos y hacerlos lo más ecológicos posible, el desarrollo de energía fotovoltaica asequible y ecológica aún no se ha materializado.
Calcogenuros ternarios de plata y cobre
Los calcogenuros ternarios de clase ABX2 (I-III-VI) están ganando popularidad debido a su banda prohibida químicamente sintonizable, su gran coeficiente de absorción y su naturaleza ecológica.
Los materiales a base de plata fueron los primeros calcogenuros triples que se utilizaron en módulos fotovoltaicos y ya han alcanzado una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 9 % en poco tiempo.
Debido a su factor de costo, los nanocristales ternarios de calcogenuro de cobre son más ventajosos que los calcogenuros basados en plata.
Otra nueva familia de fotoabsorbentes con una eficiencia de conversión de energía de más del 15% es CuInX2 (X = S, Se); sin embargo, la escasez y el costo del indio (In) es un obstáculo importante en el camino hacia la producción práctica a gran escala.
Por lo tanto, se consideró cambiar el indio por bismuto. Los puntos cuánticos de selenio a base de Cu se han utilizado en dispositivos solares, aunque su eficiencia de conversión de energía del 0,68 % sigue siendo relativamente baja.
La principal deficiencia del trabajo anterior en dicho ABX2 Chalcogenides fue que sus puntos cuánticos (QD) se fabricaron mediante métodos de evaporación o dispersión procesados en solución inadecuados para operaciones en tiempo real, en contraste con el enfoque SILAR persistente utilizado en este estudio.
Investigación teórica sobre estos ABX2 Los materiales son bastante alentadores, y se espera que las eficiencias de conversión de energía superen el 20 %.
Aspectos destacados de investigación
En este contexto, se fabricaron y estudiaron puntos cuánticos de selenio a base de Cu, una contraparte de seleniuro del selenio a base de Cu, como componentes fotoabsorbentes para células solares.
Estos puntos cuánticos de selenio basados en Cu se han sometido a un estudio detallado de sus propiedades materiales, propiedades ópticas y parámetros de rendimiento.
La cinética de la dispersión del transporte de carga a través de las superficies de los puntos cuánticos de selenio basados en Cu reveló la necesidad de métodos de pasivación cuando se estudió con espectrometría de resistividad.
Para mejorar la eficiencia del dispositivo, un análisis en profundidad del diseño en tándem de CuBiSe2/CuBiS2 dispositivos realizados por primera vez. Además, se utilizó óxido de níquel como capa transportadora de agujeros para garantizar una fabricación limpia y hacer que los puntos cuánticos de selenio a base de Cu sean respetuosos con el medio ambiente.
El diseño gemelo desarrollado reprodujo una heteroestructura Tipo 1 y mejoró la eficiencia del dispositivo al reducir drásticamente las pérdidas por recombinación en los modelos detallados activos.
Esta investigación sentó las bases para seguir explorando el potencial de estos puntos cuánticos de triple heterounión para diversas aplicaciones ópticas.
Hallazgos importantes
Los puntos cuánticos de selenio a base de Cu, que son respetuosos con el medio ambiente y están abundantemente disponibles, han demostrado su valor como materiales fotoabsorbentes en las células solares. Los puntos cuánticos económicos y resistentes a los líquidos sintetizados con SILAR mostraron un buen rendimiento en una celda solar.
El CuBiS2 Los puntos cuánticos pasivaron el núcleo CuBiSe2 y eliminó la mayor parte de la recombinación de electrones de transmisión inversa a través de las interfaces dentro de una heteroestructura tipo 1 revelada por múltiples métodos espectroscópicos.
La sincronización de energía de banda insuficiente entre el fotosensibilizador y la capa de transporte de agujeros ha sido una preocupación importante que debe abordarse para mejorar aún más la eficiencia del dispositivo.
Este trabajo fue significativo en cuanto a la aplicación de un enfoque de fabricación robusto y el uso de puntos cuánticos verdes únicos, allanando el camino para su implementación en otros dispositivos optoelectrónicos.
Relación
S, A y Balakrishna, RG (2022). cubo2 Puntos cuánticos como fotosensibilizadores ecológicos para células solares. ACS Sustentable Química y Tecnología. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c04333
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