Quantenpunkt-Solarzellen sind Solarzellen, die auf einem Netzwerk von im Nanometerbereich hergestellten Kristallen aufgebaut sind und das Potenzial haben, konventionelle Solarzellentechnologien zu übertreffen, da die Solarzellen das Sonnenlicht grundlegend einschränken. Eine Standard-Solarzelle ist auf einer Materialschicht aufgebaut, die ein bestimmtes Lichtband oder eine bestimmte Wellenlänge am effizientesten einfängt. Die Quantenpunkte in Quantenpunkt-Solarzellen können jedoch erzeugt werden, um mehrere Lichtbänder einzufangen, indem ihre Größe und chemische Zusammensetzung im Herstellungsprozess variiert werden. Dadurch ist eine Anordnung verschiedener Arten von Quantenpunkten auf einer Substratschicht potenziell in der Lage, einen großen Bereich von Lichtwellenlängen einzufangen, was ihre Herstellung viel effizienter und wirtschaftlicher macht als Standard-Solarzellen.
Die technische Grenze für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit einem Solarzellenmaterial, das aus einer Art chemischer Struktur besteht, liegt theoretisch bei maximal 31 %. Kommerzielle Solarzellen weisen ab 2011 jedoch nur noch einen praxistauglichen Wirkungsgrad von 15 bis 17 % auf ihrem maximalen Niveau auf. Seit Jahrzehnten wird daran geforscht, die Solarzellentechnologie aus verschiedenen Blickwinkeln zu verbessern, beispielsweise die Kosten für photovoltaisches Material auf Basis von hochreinem Silizium durch den Ersatz flexibler Polymer- und Metallsubstrate zu senken. Die Solarzellenforschung hat sich auch darauf konzentriert, einen breiteren Bandlückenbereich des Lichts einzufangen, sowohl durch das Stapeln verschiedener Schichten von Solarzellenmaterialien als auch durch die Entwicklung einzigartiger Kristalle, die als Quantenpunkte bekannt sind, auf einer Solarzellenschicht. Alle Ansätze haben ihre Nachteile und auch Quantenpunkt-Solarzellen versuchen, ihre Vorteile wo immer möglich zu nutzen.
Die aufkommende Technologie der Quantenpunkt-Solarzellen baut auf der Physik und Chemie der Quantenpunkte selbst auf, beinhaltet aber auch das Prinzip einer mehrschichtigen Solarzelle und die Fähigkeit, diese Komponenten in eine einfacher herzustellende, potenziell flexibles Substrat. Im Idealfall zielt die Technologie auf die Herstellung einer sogenannten Vollspektrum-Solarzelle ab, die in der Lage ist, bis zu 85 % des strahlenden, sichtbaren Lichts einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln sowie einen Teil des Lichts im Infrarot- und Ultraviolettbereich einzufangen. Die Energieerträge für solche Solarzellen haben im Labor 42 einen Wirkungsgrad von 2011 % erreicht, und aktuelle Bemühungen bestehen darin, praktikable, kostengünstige chemische Strukturen für eine solche Technologie zu finden, damit sie in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Ansätze für Solarzellen der nächsten Generation haben sich auf das Dreibandlücken- oder Multi-Junction-Modell konzentriert, bei dem verschiedene Schichten halbleitender Legierungen aus Gallium-Arsenid-Nitrat miteinander verbunden sind. Eine andere chemische Zusammensetzung mit mehreren Verbindungen verwendet eine Zink-Mangan-Tellur-Legierung und Quantenpunkt-Solarzellen werden ebenfalls aus Cadmium-Sulfid auf einem Titandioxid-Substrat hergestellt, das mit organischen Molekülen beschichtet ist, um das Metallsubstrat und die Quantenpunkte zu verbinden. Andere Variationen der drei Bandlückenschichten umfassen die Forschung unter Verwendung von Indium-Gallium-Phosphid, Indium-Gallium-Arsenid und Germanium. Viele chemische Kombinationen scheinen zu funktionieren, und die Größe der dabei verwendeten Moleküle, wie z tatsächliche Chemie der Materialien selbst. Die Schichten in einer Mehrfachsolarzelle, einschließlich der Quantenpunkte selbst, müssen jedoch oft weniger als zwei Nanometer dick sein, was eine extrem feine Präzision erfordert, um zu produzieren, wie es nur Mikrochip-Fab-Anlagen sind, die Computerprozessoren und Speicher herstellen in der Lage, im Massenmaßstab.
Ziel der Forschung an Quantenpunkt-Solarzellen ist es, Solarzellen sowohl effizienter als auch kostengünstiger in der Herstellung zu machen. Idealerweise werden sie auf flexiblen Polymermaterialien aufgebaut, sodass sie auf Gebäude gestrichen oder als Beschichtung für tragbare Elektronik verwendet werden können. Sie könnten dann auch zu synthetischen Stoffen für Bekleidung und Polster im Auto verwebt werden. Dies würde der Solarzellentechnologie weit verbreitete Anwendungen in der Stromerzeugung geben, die den Bedarf an fossilen Brennstoffen für viele allgemeine Verbraucherbedürfnisse, einschließlich Klimatisierung, Telekommunikation, Transport und Beleuchtung, ergänzen oder ersetzen könnten. Solche Solarzellen wurden in Labors in den USA, Kanada, Japan und anderen Ländern hergestellt, und das erste Unternehmen, das eine Methode zur kostengünstigen Massenproduktion dieser Technologie gefunden hat, wird wahrscheinlich einen Weltmarkt von beispiellosem Ausmaß erobern.