El enfoque de ingeniería de tinta aumenta la eficiencia y recorta el costo de los fotovoltaicos basados en puntos cuánticos
Toda la fabricación de células solares de puntos cuánticos imprimibles por una impresora de matrícula se realizó en una sala limpia en Funsom, Soochow University. Crédito: Shi et al
Los puntos cuánticos coloidales (CQDS) son pequeñas partículas semiconductoras que tienen solo unos pocos nanómetros de tamaño, que se sintetizan en una solución líquida (es decir, coloid). Estas partículas de un solo cristal, creado por los materiales a granel a través de procesos químicos y físicos, han demostrado ser prometedoras para el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas (PV).
Los PVS cuánticos basados en DOT podrían tener varias ventajas, incluida una banda de banda sintonizable, una mayor flexibilidad y procesamiento de soluciones. Sin embargo, se ha encontrado que las células solares basadas en DOT cuánticas desarrolladas hasta ahora tienen limitaciones significativas, incluidas las eficiencias más bajas que las células convencionales a base de silicio y los altos costos de fabricación, debido a los costosos procesos necesarios para sintetizar películas conductoras de CQD.
Investigadores de la Universidad de Soochow en China, la Universidad de Electrocomunicaciones en Japón y otros Institutos en todo el mundo introdujeron recientemente un nuevo método que podría ayudar a mejorar las eficiencias de los fotovoltaicos basados en puntos cuánticos, al tiempo que reduce sus costos de fabricación. Su enfoque propuesto, esbozado en un artículo publicado en Nature Energy, implica la ingeniería de las tintas CQD de sulfuro de plomo (PBS) utilizadas para imprimir películas para células solares.
“Cuando las personas discuten los puntos cuánticos coloidales (CQDS), lo primero que viene a la mente es sus propiedades cuánticas dependientes del tamaño extremadamente atractivas, así como la compatibilidad con los métodos de fabricación basados en soluciones de bajo costo, que abren posibilidades emocionantes para los semiconductores de próxima generación, los materiales de Solar Imprimables y los dispositivos OptoLectronic, los dispositivos OptoLectronic”, Guozheng y Zeke Liu, Cohonductor Materials, especialmente en las células solares imprimibles y los dispositivos OptoLectronic, “Guozheng y Zeke Liu, co-author de los informes de OptoLectronic.
“Sin embargo, estas aplicaciones potenciales a menudo se ven eclipsadas por los procesos de síntesis y fabricación complejos y costosos necesarios para producir películas conductoras de CQD”.
Los procesos sofisticados y costosos utilizados actualmente para producir películas conductoras de CQD alcanzan un rendimiento limitado, con los costos de las capas activas de CQD que van desde $ 0.25 a $ 0.84/WP, que son demasiado altos para su comercialización. Además, los procesos existentes ofrecen un control limitado sobre la calidad de los materiales y, por lo tanto, las células solares resultantes.
“Antes de nuestro trabajo, los módulos solares CQD superiores a 10 cm² lograron solo ~ 1% de eficiencia de conversión de energía (PCE), un marcado contraste con el PCE de más del 12% de dispositivos a escala de laboratorio (0.04 cm²)”, dijo Liu. “Esta brecha de eficiencia, combinada con métodos costosos y complejos que implican inyección en caliente e intercambio de ligando, hizo que los fotovoltaicos CQD a escala comercial sean casi poco prácticos. La brecha de eficiencia, junto con los métodos costosos, ha hecho que los fotovoltaicos CQD a escala comercial sean imprácticas”.
El objetivo principal del trabajo reciente de Liu y sus colegas fue facilitar el desarrollo futuro de PVS basados en puntos cuánticos, lo que permite la producción de bajo costo de células solares de gran área y eficientes. En un esfuerzo por cumplir con este objetivo, introdujeron un nuevo enfoque de ingeniería de tinta que podría apoyar la producción de películas CQD.
“Para fabricar películas de puntos cuánticos conductores de área grande, estas partículas deben estar apiladas de manera uniforme y estricta mientras mantienen sus estados individuales para preservar los efectos cuánticos”, explicó Liu. “Cualquier inconsistencia en el tamaño o apilamiento puede conducir a la pérdida de energía, afectando negativamente el rendimiento de los semiconductores. Esto presenta un delicado equilibrio entre el apilamiento de puntos cuánticos y el diseño de ligando”.
Película de puntos cuánticos flexibles en un sustrato de tereftalato de polietileno (PET), que avanza para semiconductores flexibles imprimibles de bajo costo, de gran área y ligera. Crédito: Shi et al
Los enfoques convencionales para crear CQD se basan en técnicas de inyección en caliente para producir puntos cuánticos envueltos en ligandos aislantes de cadena larga, seguido de un intercambio de ligando a cadenas más cortas que aumentan la conductividad de una película. Estos enfoques son caros y complejos, por lo tanto, son difíciles de replicar a gran escala.
“Los procesos de intercambio de ligando aumentan tanto la complejidad como los costos materiales, al tiempo que causan la agregación y los defectos morfológicos, lo que dificulta lograr la uniformidad en grandes áreas”, dijo Liu. “En contraste, nuestro enfoque utiliza una técnica de síntesis directa (DS) para preparar tintas CQD”.
El nuevo método de ingeniería de tinta ideado por Liu y sus colegas permite la síntesis de CQD de ión con ión directamente en un disolvente polar, eliminando así la necesidad de procesos de intercambio de ligando complejos. Utilizando su enfoque, los investigadores pudieron imprimir películas CQD conductoras muy llenas en un solo paso.
“Para minimizar la agregación y la fusión, controlamos el entorno químico de la tinta, utilizando una estrategia de ingeniería de química de solución (SCE) para un ajuste preciso de las configuraciones y la funcionalidad iónica”, dijo Liu. “La tecnología de puntos cuánticos simplificados y la estabilidad de tinta mejorada dan como resultado tintas CQD estables con menos defectos, lo que permite la fabricación a gran escala de películas delgadas de puntos cuánticos y dispositivos fotovoltaicos, todo a un costo de menos de $ 0.06/WP”.
Shi, Liu y sus colegas probaron su enfoque propuesto en una serie de pruebas y demostraron que resultó en la producción de tintas de puntos cuánticos altamente estables. Además, descubrieron un vínculo entre las interacciones de puntos cuánticos dominados por la superficie e irreversible y los defectos presentes en las películas CQD impresas, así como el rendimiento de las células solares de gran área basada en estas películas.
“Nuestros esfuerzos llevaron a la creación del primer módulo solar CQD de gran área con una eficiencia de conversión de energía certificada (PCE) superior al 10%, marcando un paso adelante significativo hacia la comercialización de los fotovoltaicos basados en CQD”, dijo Liu.
“Además, logramos una célula solar de área pequeña altamente eficiente con un PCE de 13.40%, estableciendo un nuevo punto de referencia para la tecnología CQD. Estos avances son cruciales ya que abordan la escalabilidad y los desafíos de costos que han limitado durante mucho tiempo el uso generalizado de las células solares CQD”.
Este estudio reciente pronto podría contribuir al desarrollo de células solares basadas en CQD de bajo costo, de gran costo y altamente desempeñadas y otros dispositivos optoelectrónicos, como sensores o herramientas de infrarrojo cercano para la exploración espacial.
Como parte de sus próximos estudios, Liu y sus colegas planean refinar aún más las tintas producidas utilizando su enfoque, ya que esto podría dar lugar a células solares con una eficiencia aún mejor, al tiempo que extiende sus posibles aplicaciones del mundo real.
“Exploraremos la adaptación de la tecnología para varios puntos cuánticos, incluidas las variantes de baja toxicidad y la electrónica flexible”, agregó Liu. “Además, investigaremos su uso en campos como el imágenes infrarrojas de onda corta (SWIR): componentes críticos para avanzar en tecnologías de IA asequibles como vehículos autónomos, robots inteligentes y automatización industrial.
“En última instancia, nuestro objetivo es escalar esta tecnología para la producción comercial, reduciendo los costos y el impacto ambiental de la electrónica de punto cuántico”.
Más información: Guozheng Shi et al, Superando la eficiencia y las barreras de costos para el DOT cuántico de gran área fotovoltaica a través de la ingeniería de tinta estable, Nature Energy (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01746-4
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Cita: el enfoque de ingeniería de tinta aumenta la eficiencia y los recortes del costo de los fotovoltaicos basados en el punto cuántico (2025, 18 de abril) Recuperado el 18 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-ink-approach-boosts-eficience-quantum.html
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