How Quantum Dots Solar Panels Could Change Everything

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Schon mal was von einem Quantenpunkt gehört? Was ist mit einem künstlichen Atom? Auch wenn es wie Techno-Geschwätz aus Star Trek klingt (von dem ich natürlich ein Fan bin), ist es ein echtes Stück Nanotechnologie, das das Potenzial hat, Bereiche wie Medizin, Unterhaltungselektronik und insbesondere Solarenergie zu revolutionieren. Tatsächlich gibt es die Quantenpunkttechnologie schon seit Jahren in Fernsehgeräten. Warum ist sie also nicht bereits in meinen Solarmodulen enthalten? Nun, es gibt ein paar Herausforderungen … einige kommen Ihnen vielleicht bekannt vor, wenn Sie sich mit modernster Solartechnologie auskennen. Wenn es uns gelingt, diese Herausforderungen zu meistern, könnten diese kleinen Geräte GROSSE Auswirkungen haben – sie sprengen die Grenzen unserer aktuellen Solarmodule und läuten ein neues, radikal effizienteres Zeitalter der Solarenergie ein. Werfen wir also einen Blick darauf, was ein Quantenpunkt ist und warum so viele Menschen glauben, dass dieser kleine Fortschritt einen massiven Einfluss auf unser Leben haben könnte. Ich bin Matt Ferrell … willkommen bei Undecided. Dieses Video wurde Ihnen von Ecoflow zur Verfügung gestellt, aber dazu später mehr. Was ist überhaupt ein „Quantenpunkt“ (QD)? Während es wie ein McGuffin klingt, den sich Stan Lee und Jack Kirby Mitte der sechziger Jahre ausgedacht hätten, ist es tatsächlich der eigentliche wissenschaftliche Begriff. Aber es ist auch wenig hilfreich und unscheinbar, also lassen Sie es mich erklären. Quantenpunkte sind mikroskopisch kleine, kristalline halbleitende Partikel, die unsere Solarmodule deutlich effizienter machen könnten. Wie viel mehr? Nun, der theoretische maximale Umwandlungswirkungsgrad für eine Single-Junction-Solarzelle liegt bei etwa 30 %. Wir können weitere Verbindungen hinzufügen, beispielsweise sechs, um den theoretischen maximalen Wirkungsgrad auf bis zu 51,4 % zu erhöhen. Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat den theoretischen maximalen Wirkungsgrad von Quantenpunktsolarzellen (QDSCs) auf unglaubliche 66 % berechnet! Und sie sind (theoretisch) viel einfacher herzustellen als Mehrfachzellen. Wenn wir sie zum Funktionieren bringen können, könnten Quantenpunkte alles verändern. Da fragen Sie sich vielleicht wie ich: Wie machen sie das? Quantenpunkte sind so klein, dass sich ihre Elektronen nur auf ganz bestimmte Weise bewegen können. Sie sind an ganz bestimmten Bandlücken „eingesperrt“, was bedeutet, dass sie nur ganz bestimmte Lichtwellenlängen erzeugen (oder mit anderen Worten, sie emittieren ganz bestimmte Farben). Wir nennen dieses Phänomen „Quanteneinschluss“. Das ist wirklich seltsam, wenn man darüber nachdenkt: Diese Fläschchen enthalten genau das gleiche Material, bis auf die atomare Ebene. Dennoch leuchten sie in extrem unterschiedlichen Farben. Das einzige, was sie unterscheidet, ist ihre Größe. Die größten und rötlichsten Quantenpunkte haben eine Größe von 10 Nanometern, während die kleinsten und blauesten Quantenpunkte nur 2 Nanometer im Durchmesser haben. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist 80.000 bis 100.000 Nanometer dick. Ihre Blutzellen haben einen Durchmesser von 10.000 Nanometern. Selbst ein einzelner DNA-Strang ist etwa 2,5 Nanometer breit. Quantenpunkte sind so klein, dass sie praktisch als nulldimensional gelten. Und bei dieser Größe beginnen die Dinge seltsam zu werden und die Gesetze der Physik scheinen zu brechen, wie bei der Quantenbeschränkung, die wir gerade erwähnt haben. Um wirklich zu verstehen, wie Quantenpunkte diese Gesetze brechen, um Photovoltaikzellen effizienter zu machen, müssen wir diese Gesetze der Physik und ihre Funktionsweise im Inneren einer Solarzelle auffrischen. Im Kern ist eine Solarzelle ein Kristall mit einer positiven (p) Seite und einer negativen (n) Seite, die einen pn-Übergang bilden. Die Sonne schießt Photonen aus und achtzig Minuten später treffen sie auf unsere Zelle. Wenn dieses Photon ein Energieniveau hat, das größer oder gleich der Bandlückenenergie der Zelle ist, überträgt es seine Energie auf ein Elektron, stößt das Elektron aus seiner Heimat und erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Wenn nicht, ist diese Energie verschwendet. Das „freie“ Elektron und das Loch wollen sich wieder verbinden und/oder niederlassen, aber wenn sie lange genug frei bleiben, könnten sie durch die Elektrode gelangen und bam! Wir haben kostenlose Energie von der Sonne bekommen. Obwohl wir versucht haben, das zu vereinfachen, ist es immer noch etwas kompliziert. Man muss kein Ingenieur sein, um zu bemerken, dass diese Erklärung einige große „Wenn“ und „Könnte“ enthält. Sonnenkollektoren sind tatsächlich nicht besonders effizient. Die meisten kommerziellen Panels können nur 15–23 % des auf sie treffenden Lichts in nutzbaren Strom umwandeln. Und Solarmodule werden nicht viel effizienter werden, zumindest nicht so, wie wir sie derzeit verstehen. Schon im Jahr 1961, Wissenschaftler William Shockley und Hans-Joachim Queisser berechneten, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad für eine Single-Junction-Solarzelle etwa 30 % beträgt. Glücklicherweise liegt dieser maximale Wirkungsgrad dank moderner Fortschritte bei Materialien und Technik jetzt bei gewaltigen ... 33,7 %. Oh ja. Warum ist die Shockley-Queisser-Grenze so niedrig? Zusätzlich zu all den Hürden, die wir zuvor erwähnt haben, gibt es viele Faktoren, die begrenzen, wie viel Saft wir aus einem Photon herauspressen können. Glücklicherweise kann es ein paar Lücken geben. Shockley und Queisser gingen beispielsweise davon aus, dass es nur einen pn-Übergang gibt. Wir könnten jedoch jederzeit mehr Halbleiter hinzufügen, um mehr Bandlücken zu schaffen. Denken Sie daran, dass Bandlücken nur dann Energie aus einem Photon erzeugen, wenn das Photon das gleiche oder ein höheres Energieniveau hat – sie sind wählerische Esser. Daher ist die Kombination mehrerer Zellen zu einer sogenannten Mehrfachzelle eine praktikable Möglichkeit, die Shockley-Queisser-Grenze zu durchbrechen. Es ist so, als würde man ein breiteres Netz bauen, um mehr Energieniveaus von Photonen einzufangen … oder ist es vielleicht eher so, als würde man ein Netz mit einer Reihe von Backup-Netzen dahinter bauen, damit weniger Photonen durchschlüpfen? Ich dehne diese Metapher aus … jedenfalls funktioniert das großartig, bis man sich das Preisschild anschaut. Mehrfach-PVs sind teuer und schwer herzustellen (zumindest im Moment). Als Referenz: Ein typisches Solarpanel kostet deutlich weniger als 1 US-Dollar pro Watt. Beispielsweise kostet ein in den USA hergestelltes Panel normalerweise zwischen 0,50 und 0,80 US-Dollar pro Watt. Allerdings kosten selbst reine Zwei-Junction-Zellen derzeit je nach Material schätzungsweise etwa 4,85 bis 7,17 US-Dollar pro Watt. Diese Kosten werden mit der Zeit sinken, wenn die Herstellung perfektioniert wird, aber das ist der Grund, warum Mehrfachzellen derzeit kommerziell nicht realisierbar sind. Und hier kommen Quantenpunkte wieder ins Spiel. Da Quantenpunkte winzige Halbleiter sind, können wir sie verwenden, um etwas zu betrügen, das genau wie eine Mehrfachzelle funktioniert, möglicherweise für weniger als 1 US-Dollar pro Watt. Das ist richtig, Quantenpunkte sind relativ günstig und einfach herzustellen, wir können sie wachsen lassen, indem wir einfach einige Hochtemperaturlösungen mischen, und wir können steuern, wie groß sie durch Hitze oder Zeit werden. Denken Sie daran, dass die Größe der Punkte die Art und Weise ändert, wie die Elektronen eingeschlossen werden, was sich auf ihre Bandlücke und ihren Farbton auswirkt. In einer normalen Zelle absorbiert Ihre Absorptionsschicht Licht mit derselben Bandlücke. Durch die Quantenbeschränkung können wir jedoch ein Spektrum unterschiedlicher Bandlücken, sogar im Infrarotspektrum, unterdrücken, die alle genau darauf abgestimmt sind, unterschiedliche Wellenlängen des Lichts einzufangen. Mit einer Größe von nur wenigen Nanometern können wir mehr Quantenpunkte auf einem bestimmten Raum unterbringen als Halbleiter, was dazu beiträgt, ihre Effizienz weiter zu steigern. Aber warten Sie, es gibt noch mehr! Die Erzeugung mehrerer Exzitonen (MEG) ist eine weitere Möglichkeit, mit Quantenpunktsolarzellen die Shockley-Queisser-Grenze zu umgehen. In einer normalen Zelle erhalten wir mit etwas Glück ein Lochpaar (oder Exziton) pro Photon. Aber Quantenpunkte können für jedes Photon zwei oder mehr Exzitonen erzeugen. Obwohl die Mechanismen von MEG gut verstanden sind, besteht noch kein Konsens darüber, warum es funktioniert. Wie auch immer, man muss kein Quantenphysiker sein, um zu verstehen, dass zwei Exzitonen zum Preis von einem die Effizienz unserer Solarzelle radikal steigern werden. Zumindest verdoppelt es die Chance, dass etwas zur Elektrode gelangt. Angesichts des Potenzials von Quantenpunkten werden Sie wahrscheinlich nicht überrascht sein zu hören, dass wir fast jeden Tag etwas Neues über sie lernen. In letzter Zeit wurden viele interessante Fortschritte gemacht, die Sie aufladen sollten, aber bevor ich darauf eingehe, gibt es noch einen weiteren interessanten Fortschritt bei der Energiespeicherung, der Ihnen dabei helfen kann, Ihr Zuhause aufzuladen. Und das kommt vom heutigen Sponsor Ecoflow und seinem neuen EcoFlow DELTA Pro 3. Es ist ein schlank gestaltetes modulares System, das fast alles mit Energie versorgen kann. Ein einzelner DELTA Pro 3 kann eine Dauerleistung von 4000 W mit entweder 120 V/240 V abgeben. Sie können sie aber auch parallel kombinieren, um eine Dauerleistung von bis zu 12.000 W zu erzielen. Mit der X-Boost- und X-Fusion-Technologie von Ecoflow kann ein Gerät problemlos einen Trockner, einen Elektroboiler, einen Warmwasserbereiter oder sogar ein Elektrofahrzeug-Ladegerät mit Strom versorgen. Es ist direkt nach dem Auspacken Plug-and-Play-fähig und lässt sich mit nur einem Klick starten, was die Verwendung besonders einfach macht. Es ist die perfekte Lösung, um extremes Wetter und Stromausfälle zu überstehen, und es ist viel besser als ein Gasgenerator. Es gibt keinen Lärm, was bedeutet, dass Sie nicht schlafen oder Ihre Nachbarn belästigen können, und es gibt keine Abgase und Sie müssen nicht tanken. Das Beste daran ist, dass es sich unglaublich flexibel für die Sicherung des gesamten Hauses integrieren lässt, entweder mit dem Smart Home Panel 2, einer Eingangsbox oder einem manuellen Transferschalter. Mit der EcoFlow-App können Sie mühelos eine Energieüberwachung in Echtzeit durchführen, Ihren Energieverbrauch optimieren und Geld bei Ihren Rechnungen sparen. Wenn Sie dies mit Solarenergie kombinieren, erhalten Sie noch mehr Vorteile. Registrieren Sie sich jetzt auf der offiziellen Website von EcoFlowTech, um über den kommenden Livestream zur Einführung von EcoFlow DELTA Pro 3 auf dem Laufenden zu bleiben und Benutzervorteile im Wert von bis zu 3.000 US-Dollar zu erhalten! Lassen Sie sich das nicht entgehen. Nehmen Sie am 24. Juni um 19:00 Uhr (PST) an der globalen EcoFlow-Online-Produkteinführungsveranstaltung teil . Der Link steht in der Beschreibung. Vielen Dank an EcoFlow und an Sie alle für die Unterstützung des Kanals. Nun zurück zu den elektrisierenden Neuigkeiten über Quantenpunkt-Solarzellen. Ein Forscherteam der Korea University und des Ulsan National Institute of Science & Technology versucht, Quantenpunkte mit Perowskiten zu kombinieren, um das Beste aus beiden Welten herauszuholen. Perowskite sind großartig, wie wir bereits erwähnt haben, aber die meisten von ihnen bestehen hauptsächlich aus Blei und anderen giftigen Chemikalien, was Anlass zur Sorge gibt. Aus diesem Grund tendieren Forscher zu den weniger toxischen Zinn-Blei-Halogenid-Perowskiten (TLHP), aber sie sind weniger leistungsstark als ihre Blei-Cousins ​​und anfälliger für Defekte. Um dies zu beheben, fügten die Forscher der Zelle Perowskit-Quantenpunkte (PQDs) hinzu, die sowohl die Perowskite stabiler machten als auch die maximale Spannung der Zelle erhöhten. Doch nun hatten sie ein neues Problem mit Liganden, also dem Material, in dem die Nanokristalle suspendiert sind. Sie verlangsamten den Ladungstransport. Man kann sich das so vorstellen, als ob man ein sehr schnelles Auto hätte, aber auf dem Heimweg an jeder roten Ampel ankäme. Es spielt keine Rolle, wie hoch die Geschwindigkeitsbegrenzung auf der Straße ist, wenn Sie an jedem Block anhalten müssen. Die Forscher behandelten ihre Zellen mit etwas Isopropyl, was die Liganden irgendwie lockerte und alles zusammengelieren ließ, wodurch bessere, glattere Wege für die Ladung geschaffen wurden, um „anzutreiben“. Dadurch war ihre Perowskit-Quantenpunktzelle effizienter und schneller und zeigte eine verbesserte Leerlaufspannung und eine rekordverdächtige Umwandlungseffizienz für Zinn-Blei-Halogenid-Perowskite. In der Zwischenzeit hat ein völlig anderes Team von Wissenschaftlern mehrerer koreanischer Universitäten und Institutionen gerade eine flexible Quantenpunktsolarzelle entwickelt, die auf vollständig anorganischem Cäsium-Bleiiodid (CsPbI3) oder „schwarzem“ Perowskit basiert. Mithilfe eines einfachen Schicht-für-Schicht-Verfahrens können sie schnell und bei Raumtemperatur eine Schicht dieser Perowskit-Quantenpunkte auftragen und so eine flexible Zelle erzeugen. Wie Sie gleich sehen werden, ist die Sache mit der „Raumtemperatur“ besonders wichtig, da Quantenpunkte nicht zu viel Hitze mögen. Normalerweise ist eine gewisse Wärmebehandlung erforderlich, um die Perowskit- Quantenpunkte mit der Basisschicht Ihrer Zelle zu verbinden. Dies erhöht jedoch auch das Risiko von Defekten. Die Möglichkeit , dies bei Raumtemperatur zu tun, sollte die Herstellung erheblich ersparen. Und diese Zellen waren auch nicht schlecht, das Team meldete unter Standardtestbedingungen einen Stromumwandlungswirkungsgrad von 12,70 % . Kommerzielle Solarmodule erreichen derzeit tendenziell etwa 20 %, sodass die Technologie noch einiges vor sich hat, aber 12,70 % sind immer noch ein neuer Rekord für flexible Quantenpunkt-PV. Und das ist alles nur aus den letzten Monaten des Jahres 2024, aber es sind nicht nur Sonnenschein und Regenbögen für Quantenpunkte. Trotz der Explosion an Innovationen sind sie noch in weiter Ferne. Trotz ihres enormen Potenzials gibt es immer noch einige ernste Probleme, die gelöst werden müssen. Ich habe nur kurz erwähnt, woraus Quantenpunkte bestehen, und das liegt daran, dass die meisten Formulierungen schädliche Metalle wie Blei, Cadmium, Arsen und Quecksilber enthalten. Dies hat einige Bedenken hinsichtlich der Toxizität aufgeworfen, aber die Herstellung und das Recycling von Quantenpunkten sind mit denen von Standard-Solarenergie vergleichbar. Wo Gesundheits- und Sicherheitsstandards für den Umgang mit Schadstoffen gut etabliert sind. Auch hier stellen Quantenpunkte, wie bei herkömmlicher Solarenergie, im Betrieb keine Probleme dar, da sie in den Schichten dieses Solarsandwichs eingeschlossen sind. Was wir nicht wissen, ist, was das Paket aus Quantenpunkten und Nanopartikeln mit dem menschlichen Körper macht. Aufgrund ihrer geringen Größe könnten Quantenpunkte eingeatmet werden oder auf andere Weise in den Körper gelangen. Ein Erste Studien deuten darauf hin, dass sie sich im Inneren in stark durchbluteten Organen wie der Leber und den Nieren ansammeln und dort Entzündungen und Schäden verursachen können. Allerdings sind diese Fragen offen und es bedarf weiterer Forschung. Tatsächlich hat ein Team der Aligarh Muslim University in Indien bereits mit der Arbeit an der Herstellung nichtmetallischer, ungiftiger Quantenpunkte begonnen. Die Haltbarkeit bleibt das größte Problem bei Quantenpunktsolarzellen. Ähnlich wie Perowskite sind Quantenpunkte empfindlich und können sich zersetzen, wenn sie Luft, Feuchtigkeit und hohen Temperaturen ausgesetzt werden (ähnlich wie ich). Alles Dinge, denen ein Solarpanel voraussichtlich mindestens ein oder zwei Jahrzehnte lang ausgesetzt sein wird. Sie mögen es auch nicht, zu stark beleuchtet zu werden oder von viel ultraviolettem Licht getroffen zu werden. Es versteht sich von selbst, dass eine Solarzelle, die einen Sonnenbrand verursachen kann, nicht ideal ist. Auch hier kann ich es nachvollziehen. Sie müssen auch darauf achten, welches Material Sie damit kombinieren. Ein Solarpanel ist im Grunde ein Sandwich, das mit vielen verschiedenen Materialien gefüllt ist, die alle zur Sammlung des Sonnenlichts oder zum Schutz der Sonnenlichtkollektoren beitragen. Quantenpunkte können mit einigen Materialien schlecht reagieren und noch schneller zerfallen. Einer der großen Vorteile der Solartechnologie der aktuellen Generation und der Grund, warum wir sehen, dass sie immer noch im Vergleich zu kostengünstigeren oder effizienteren Technologien eingesetzt wird, ist ihre Langlebigkeit. Die erste Aufgabe eines Solarmoduls besteht darin, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, die zweite Aufgabe besteht jedoch darin, dies über Jahre hinweg zuverlässig zu tun. Während Quantenpunkt-Solarzellen wesentlich effizienter sein könnten, sind sie wesentlich weniger langlebig, was bedeutet, dass die heutige, einfachere Solartechnologie (zumindest vorerst) die Nase vorn hat. Dies ist kein Problem, wenn es um Quantenpunkte in anderen Anwendungen wie der Medizin oder hochauflösenden Fernsehbildschirmen geht. Etwas ironisch ist es dann, dass die Solarenergie der Bereich ist , in dem Quantenpunkte das revolutionärste Potenzial haben, aber auch mit den größten Hürden konfrontiert sind. Das Potenzial von Quantenpunkten, die Energielandschaft zu revolutionieren, macht sie verlockend. Und die Tatsache, dass sie bereits in Fernsehgeräten zu finden sind, vermittelt das Gefühl, dass die Solarenergie schon vor der Tür steht. Und ähnlich wie bei Perowskiten: Wenn Forscher einen erschwinglichen Weg finden, Quantenpunkte haltbarer zu machen, werden unsere Solarmodule ihre Effizienz verdoppeln … aber das ist ein ziemlich großes „Wenn“. Und wenn nicht? Nun ja … Quantenpunkte können unsere Fernseher, Telefone und insbesondere medizinische Geräte immer noch verbessern, und das ist immer noch ziemlich cool. Aber was denkst du? Glauben Sie, dass wir die Herausforderung mit Quantenpunkt-Solarzellen meistern können ? Schauen Sie sich die Kommentare an und lassen Sie es mich wissen. Hören Sie sich unbedingt meinen Folge-Podcast „Still TBD“ an, in dem wir das Gespräch weiterführen werden . Vielen Dank wie immer an meine Gönner und ein großes Willkommen an Stephen, Marc A Ferrari und S Young. Und vielen Dank an euch alle fürs Zuschauen. Wir sehen uns im nächsten. ...