Las células solares de puntos cuánticos son células solares construidas sobre una red de cristales fabricados a escala nanométrica que tienen el potencial de superar a las tecnologías de células solares convencionales debido a una limitación fundamental de cómo las células solares capturan la luz solar. Una celda solar estándar se construye sobre una capa de material que es más eficiente para capturar una banda o longitud de onda de luz en particular. Sin embargo, los puntos cuánticos en las células solares de puntos cuánticos se pueden crear para capturar múltiples bandas de luz variando su tamaño y composición química en el proceso de fabricación. Esto hace que una matriz de diferentes tipos de puntos cuánticos en una capa de sustrato sea potencialmente capaz de capturar una amplia gama de longitudes de onda de luz, lo que los hace mucho más eficientes y económicos de producir que las células solares estándar.
El límite técnico para convertir la luz solar en energía eléctrica con un material de célula solar compuesto por un tipo de estructura química es, en teoría, un máximo del 31%. Sin embargo, las células solares comerciales a partir de 2011 solo tienen un nivel de eficiencia práctica del 15% al 17% en su nivel máximo. Se han realizado investigaciones durante décadas para encontrar mejoras en la tecnología de células solares desde varios puntos de vista, como la reducción del gasto de material fotovoltaico basado en silicio de alta pureza mediante la sustitución de polímeros flexibles y sustratos metálicos. La investigación con células solares también se ha centrado en capturar un rango de luz de banda prohibida más amplia, tanto apilando diferentes capas de materiales de células solares como diseñando cristales únicos, conocidos como puntos cuánticos, en una capa de células solares. Todos los enfoques tienen sus inconvenientes, y las células solares de puntos cuánticos también intentan aprovechar sus ventajas siempre que sea posible.
La tecnología emergente de las células solares de puntos cuánticos se basa en la física y la química de los puntos cuánticos en sí, pero también incluye el principio de una célula solar de varias capas y la capacidad de incorporar estos componentes en un sistema potencialmente más fácil de fabricar. sustrato flexible. Idealmente, la tecnología apunta a producir lo que se conoce como una célula solar de espectro completo, capaz de capturar hasta un 85% de la luz visible radiante y convertirla en electricidad, además de capturar algo de luz en las bandas infrarroja y ultravioleta. La producción de energía para dichas células solares ha alcanzado una eficiencia del 42% en el laboratorio a partir de 2011, y los esfuerzos actuales implican encontrar estructuras químicas prácticas y rentables para dicha tecnología de modo que pueda producirse en masa.
Los enfoques para las células solares de próxima generación se han centrado en el modelo de tres bandas o de múltiples uniones, donde se interconectan diferentes capas de aleaciones semiconductoras de nitrato de arseniuro de galio. Otra composición química de múltiples uniones ha utilizado una aleación de zinc-manganeso-telurio y las células solares de punto cuántico también se están fabricando a partir de sulfuro de cadmio sobre un sustrato de dióxido de titanio que está recubierto con moléculas orgánicas para interconectar el sustrato metálico y los puntos cuánticos. Otras variaciones en las tres capas de banda prohibida incluyen la investigación utilizando indio-galio-fosfuro, indio-galio-arseniuro y germanio. Muchas combinaciones químicas parecen funcionar, y el tamaño de las moléculas utilizadas en el proceso, como la capa de interconexión orgánica, parece tener un impacto más directo en la eficiencia de las células solares de puntos cuánticos para capturar un amplio espectro de luz que el química real de los materiales mismos. Sin embargo, las capas de una célula solar de unión múltiple, incluidos los puntos cuánticos en sí, a menudo tienen que tener menos de dos nanómetros de espesor, lo que requiere un nivel de precisión extremadamente fino para producir que solo las fabulosas instalaciones de microchip que fabrican procesadores de computadora y memoria son capaz de hacer a gran escala.
El objetivo de la investigación de las células solares de puntos cuánticos es hacer que las células solares sean más eficientes y menos costosas de fabricar. Idealmente, se construirán sobre materiales poliméricos flexibles para que puedan pintarse en edificios o usarse como revestimiento para dispositivos electrónicos portátiles. Entonces también podrían tejerse en telas sintéticas para ropa y tapicería de automóviles. Esto daría a la tecnología de células solares aplicaciones generalizadas en la generación eléctrica que podrían complementar o suplantar la necesidad del uso de combustibles fósiles para muchas necesidades comunes de los consumidores, incluidos el control del clima, las telecomunicaciones, el transporte y la iluminación. Estas células solares se han creado en el laboratorio de los EE. UU., Canadá, Japón y otras naciones, y es probable que la primera empresa en encontrar un método de producción en masa económico de la tecnología capture un mercado mundial para ella de una escala sin precedentes.