Le celle solari a punti quantici sono celle solari costruite su una rete di cristalli fabbricati su scala nanometrica che hanno il potenziale per superare le tecnologie convenzionali delle celle solari a causa di una limitazione fondamentale del modo in cui le celle solari catturano la luce solare. Una cella solare standard è costruita su uno strato di materiale che è più efficiente nel catturare una particolare banda o lunghezza d’onda della luce. I punti quantici nelle celle solari a punti quantici, tuttavia, possono essere creati per catturare più bande di luce variando le loro dimensioni e la composizione chimica nel processo di produzione. Ciò rende una serie di diversi tipi di punti quantici su uno strato di substrato potenzialmente in grado di catturare un’ampia gamma di lunghezze d’onda della luce, rendendoli molto più efficienti ed economici da produrre rispetto alle celle solari standard.
Il limite tecnico per convertire la luce solare in energia elettrica con un materiale a celle solari costituito da un tipo di struttura chimica è teoricamente un massimo del 31%. Tuttavia, le celle solari commerciali a partire dal 2011 hanno un livello di efficienza pratica solo dal 15% al 17% al loro livello massimo. La ricerca è in corso da decenni per trovare miglioramenti alla tecnologia delle celle solari da diversi punti di vista, come ridurre la spesa del materiale fotovoltaico a base di silicio altamente puro sostituendo polimeri flessibili e substrati metallici. La ricerca sulle celle solari si è anche concentrata sull’acquisizione di una gamma di luce a banda proibita più ampia, sia impilando diversi strati di materiali delle celle solari o progettando cristalli unici, noti come punti quantici, su uno strato di celle solari. Tutti gli approcci hanno i loro svantaggi e le celle solari a punti quantici tentano anche di sfruttare i loro vantaggi ove possibile.
La tecnologia emergente delle celle solari a punti quantici si basa sulla fisica e sulla chimica dei punti quantici stessi, ma include anche il principio di una cella solare multistrato e la capacità di incorporare questi componenti in un sistema più facilmente fabbricabile, potenzialmente- substrato flessibile. Idealmente, la tecnologia mira a produrre quella che è nota come una cella solare a spettro completo, in grado di catturare fino all’85% della luce visibile e radiante e convertirla in elettricità, oltre a catturare parte della luce nelle bande dell’infrarosso e dell’ultravioletto. La produzione di energia per tali celle solari ha raggiunto l’efficienza del 42% in laboratorio a partire dal 2011 e gli sforzi attuali riguardano la ricerca di strutture chimiche pratiche ed economiche per tale tecnologia in modo che possa essere prodotta in serie.
Gli approcci alle celle solari di prossima generazione si sono concentrati sul modello a tre band gap o multi-giunzione, in cui sono interconnessi diversi strati di leghe semiconduttrici di gallio-arseniuro-nitrato. Un’altra composizione chimica multi-giunzione ha utilizzato una lega di zinco-manganese-tellurio e anche celle solari a punti quantici vengono realizzate in solfuro di cadmio su un substrato di biossido di titanio rivestito con molecole organiche per interconnettere il substrato metallico e i punti quantici. Altre variazioni sui tre strati band gap includono la ricerca che utilizza indio-gallio-fosfuro, indio-gallio-arseniuro e germanio. Molte combinazioni chimiche sembrano funzionare e le dimensioni delle molecole utilizzate nel processo, come lo strato di interconnessione organica, sembrano avere un impatto più diretto sull’efficienza delle celle solari a punti quantici nel catturare un ampio spettro di luce rispetto al chimica reale dei materiali stessi. Gli strati in una cella solare multi-giunzione, tuttavia, inclusi gli stessi punti quantici, spesso devono essere spessi meno di due nanometri, il che richiede un livello di precisione estremamente fine per produrre che solo le strutture di microchip che rendono i processori e la memoria dei computer sono capace su scala di massa.
L’obiettivo della ricerca sulle celle solari a punti quantici è rendere le celle solari più efficienti e meno costose da produrre. Idealmente, saranno costruiti su materiali polimerici flessibili in modo che possano essere verniciati su edifici o usati come rivestimento per l’elettronica portatile. Sarebbero quindi anche in grado di essere intrecciati in tessuti sintetici per l’abbigliamento e la tappezzeria delle auto. Ciò darebbe alla tecnologia delle celle solari applicazioni diffuse nella generazione elettrica che potrebbero integrare o soppiantare la necessità di utilizzare combustibili fossili per molte esigenze comuni dei consumatori, tra cui il controllo del clima, le telecomunicazioni, i trasporti e l’illuminazione. Tali celle solari sono state create in laboratorio negli Stati Uniti, in Canada, in Giappone e in altre nazioni, e la prima azienda a trovare un metodo di produzione di massa a basso costo della tecnologia probabilmente catturerà un mercato mondiale di dimensioni senza precedenti.