Οι ηλιακές κυψέλες Quantum dot είναι ηλιακές κυψέλες χτισμένες σε ένα δίκτυο κρυστάλλων που κατασκευάζονται σε κλίμακα νανομέτρων που έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν τις συμβατικές τεχνολογίες ηλιακών κυψελών λόγω ενός θεμελιώδους περιορισμού του τρόπου με τον οποίο τα ηλιακά κύτταρα συλλαμβάνουν το φως του ήλιου. Ένα τυπικό ηλιακό κύτταρο είναι χτισμένο πάνω σε ένα στρώμα υλικού που είναι πιο αποτελεσματικό στη σύλληψη μιας συγκεκριμένης ζώνης ή μήκους κύματος φωτός. Οι κβαντικές κουκκίδες στα ηλιακά κύτταρα κβαντικής κουκκίδας, ωστόσο, μπορούν να δημιουργηθούν για να συλλάβουν πολλαπλές ζώνες φωτός μεταβάλλοντας το μέγεθος και τη χημική τους σύνθεση στη διαδικασία κατασκευής. Αυτό καθιστά μια σειρά διαφορετικών ειδών κβαντικών κουκκίδων σε ένα στρώμα υποστρώματος δυνητικά ικανή να συλλάβει ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος φωτός, καθιστώντας τα πολύ πιο αποτελεσματικά και οικονομικά στην παραγωγή από τα τυπικά ηλιακά κύτταρα.
Το τεχνικό όριο για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια με ένα υλικό ηλιακών κυψελών που αποτελείται από έναν τύπο χημικής δομής είναι θεωρητικά το πολύ 31%. Ωστόσο, οι εμπορικές ηλιακές κυψέλες από το 2011 έχουν μόνο πρακτικό επίπεδο απόδοσης 15% έως 17% στο μέγιστο επίπεδο τους. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη εδώ και δεκαετίες για να βρεθούν βελτιώσεις στην τεχνολογία των ηλιακών κυψελών από πολλά πλεονεκτήματα, όπως η μείωση της δαπάνης του φωτοβολταϊκού υλικού με βάση το πυρίτιο υψηλής καθαρότητας με την αντικατάσταση εύκαμπτων πολυμερών και μεταλλικών υποστρωμάτων. Η έρευνα για τα ηλιακά κύτταρα έχει επίσης επικεντρωθεί στη σύλληψη ενός ευρύτερου φάσματος χάσματος ζώνης φωτός, τόσο με τη στοίβαξη διαφορετικών στρωμάτων υλικών ηλιακών κυψελών ή με την κατασκευή μοναδικών κρυστάλλων, γνωστών ως κβαντικών κουκκίδων, σε ένα στρώμα ηλιακών κυψελών. Όλες οι προσεγγίσεις έχουν τα μειονεκτήματά τους και τα ηλιακά κύτταρα κβαντικής κουκκίδας προσπαθούν επίσης να αξιοποιήσουν τα πλεονεκτήματά τους όπου είναι δυνατόν.
Η αναδυόμενη τεχνολογία των ηλιακών κυψελών κβαντικής κουκκίδας βασίζεται στη φυσική και τη χημεία των ίδιων των κβαντικών κουκκίδων, αλλά περιλαμβάνει επίσης την αρχή ενός ηλιακού κυττάρου πολλαπλών στρώσεων και την ικανότητα ενσωμάτωσης αυτών των στοιχείων σε ένα πιο εύκολα κατασκευασμένο, δυνητικά εύκαμπτο υπόστρωμα. Ιδανικά, η τεχνολογία στοχεύει στην παραγωγή αυτού που είναι γνωστό ως ηλιακό κύτταρο πλήρους φάσματος, ικανό να συλλαμβάνει έως και 85% του ακτινοβόλου, ορατού φωτός και να το μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς και να συλλαμβάνει λίγο φως στις υπέρυθρες και υπεριώδεις ζώνες. Οι ενεργειακές εκροές για τέτοιες ηλιακές κυψέλες έχουν φτάσει στο 42% απόδοση στο εργαστήριο από το 2011 και οι τρέχουσες προσπάθειες περιλαμβάνουν την εύρεση πρακτικών, οικονομικά αποδοτικών χημικών δομών για τέτοια τεχνολογία, ώστε να μπορεί να παραχθεί μαζικά.
Οι προσεγγίσεις των ηλιακών κυψελών επόμενης γενιάς έχουν επικεντρωθεί στο μοντέλο τριών ζωνών ή πολλαπλών συνδέσεων, όπου διασυνδέονται διαφορετικά στρώματα ημιαγώγιμων κραμάτων νιτρικού γαλλίου-αρσενιδίου. Μια άλλη χημική σύνθεση πολλαπλών συνδέσεων χρησιμοποίησε ένα κράμα ψευδαργύρου-μαγγανίου-τελλουρίου και τα ηλιακά κύτταρα κβαντικής κουκκίδας κατασκευάζονται επίσης από θειούχο κάδμιο σε ένα υπόστρωμα διοξειδίου του τιτανίου που είναι επικαλυμμένο με οργανικά μόρια για τη διασύνδεση του μεταλλικού υποστρώματος και των κβαντικών κουκκίδων. Άλλες παραλλαγές στα τρία στρώματα του κενού ζώνης περιλαμβάνουν έρευνα που χρησιμοποιεί φωσφίδιο ίνδιο-γάλλιο, αρσενίδιο ίνδιο-γάλλιο και γερμάνιο. Πολλοί χημικοί συνδυασμοί φαίνεται να λειτουργούν και το μέγεθος των μορίων που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία, όπως το στρώμα οργανικής διασύνδεσης, φαίνεται να έχει περισσότερο άμεσο αντίκτυπο στην αποτελεσματικότητα των ηλιακών κυττάρων κβαντικής κουκκίδας να συλλάβουν ένα ευρύ φάσμα φωτός από το πραγματική χημεία των ίδιων των υλικών. Τα στρώματα σε ένα ηλιακό κύτταρο πολλαπλών συνδέσεων, ωστόσο, συμπεριλαμβανομένων των ίδιων των κβαντικών κουκκίδων, συχνά πρέπει να έχουν πάχος μικρότερο από δύο νανόμετρα, κάτι που απαιτεί εξαιρετικά υψηλό επίπεδο ακρίβειας για την παραγωγή ότι μόνο οι άριστες εγκαταστάσεις μικροτσίπ που κατασκευάζουν επεξεργαστές υπολογιστών και μνήμη είναι ικανό σε μαζική κλίμακα.
Ο στόχος της έρευνας για τα ηλιακά κύτταρα κβαντικής κουκκίδας είναι να καταστήσει τα ηλιακά κύτταρα πιο αποτελεσματικά και λιγότερο δαπανηρά στην κατασκευή. Στην ιδανική περίπτωση, θα κατασκευαστούν πάνω σε εύκαμπτα πολυμερή υλικά, έτσι ώστε να μπορούν να βαφτούν σε κτίρια ή να χρησιμοποιηθούν ως επίστρωση για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Στη συνέχεια θα μπορούσαν επίσης να υφαίνονται σε συνθετικά υφάσματα για ρούχα και ταπετσαρίες σε αυτοκίνητα. Αυτό θα έδινε στην τεχνολογία των ηλιακών κυψελών ευρέως διαδεδομένες εφαρμογές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που θα μπορούσαν να συμπληρώσουν ή να υποκαταστήσουν την ανάγκη χρήσης ορυκτών καυσίμων για πολλές κοινές ανάγκες των καταναλωτών, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου του κλίματος, των τηλεπικοινωνιών, των μεταφορών και του φωτισμού. Τέτοιες ηλιακές κυψέλες έχουν δημιουργηθεί στο εργαστήριο στις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Ιαπωνία και άλλες χώρες, και η πρώτη εταιρεία που θα βρει μια μέθοδο φθηνής μαζικής παραγωγής της τεχνολογίας είναι πιθανό να κατακτήσει μια παγκόσμια αγορά για αυτήν πρωτοφανούς κλίμακας.