Lysformering til stabil forbedring af solceller

Nu hvor solceller baseret på siliciumteknologi næsten har nået deres effektivitetsgrænser, forskere fra hele verden leder efter alternative teknologier til yderligere at forbedre solcelleeffektiviteten. Fysikere fra AMOLF og Cambridge University har brugt modelleringsteknikker til at sammenligne to sådanne lovende teknologier:singlet fission foton multiplikatorer og tandem solceller. Mens den potentielle effektivitetsforbedringer er næsten lige så stor, singlet fission foton multiplikator viste sig at være mere stabil under varierende vejrforhold. Også, singlet fission foton multiplikator kræver ikke modifikationer af silicium teknologien, hvilket betyder, at det endda kan bruges til at forbedre eksisterende solceller. Forskerne har offentliggjort deres resultater i ACS Energibreve .

I løbet af de sidste 20 år, effektiviteten af ​​rekordhøje siliciumsolceller produceret i laboratoriet steg med kun 2 procent, og det vil være meget svært at foretage yderligere forbedringer i de kommende år. Hovedårsagen er, at konventionelle solceller spilder en stor del af det indkommende sollys. Siliciumteknologi kan simpelthen ikke omdanne alt sollys til elektrisk energi, fordi silicium kun absorberer en del af solspektret. Også, højenergifotoner fra den blå del af spektret konverteres ikke effektivt, og de genererer uønsket varme i solcellen.

På AMOLF forskningsinstitut, Hybrid Solar Cells-gruppen ledet af Bruno Ehrler studerer egenskaberne af organiske halvledere for at overvinde begrænsningerne ved uorganiske (silicium) solceller. "Der er to lovende strategier, der ville forbedre solcellerne enormt, " siger ph.d.-studerende Moritz Futscher. "Den første, tandem solcelle teknologi baseret på en kombination af hybrid perovskit materialer og silicium, får stor opmærksomhed og studeres indgående af forskere fra hele verden. Vi studerer også perovskites, men vi er også en af ​​de få forskergrupper, der studerer den anden teknologi, som udnytter en proces kaldet singlet fission."

Singlet fission er en proces, der kun forekommer i organiske halvledere. Når en højenergifoton absorberes, der dannes en højenergipartikel kaldet en singlet-exciton. Denne singlet exciton omdannes til to triplet excitoner, der hver har omkring halvdelen af ​​energien af ​​singlet excitonen. "Med denne tilgang, vi skaber to lavenergifotoner ud af en højenergifoton. Disse fotoner udsendes derefter til den underliggende solcelle via kvanteprikker, små partikler lavet af halvledere, " Futscher forklarer. "På denne måde, singlet fission fungerer som en foton multiplikator."

Futscher og hans kolleger sammenlignede teoretisk singlet fission foton multiplikatorer med tandem solceller, der bruger en kombination af perovskites og silicium under virkelige vejrforhold. "Vi ved, at tandemsolceller fungerer meget godt i solrige områder, men underpræsterer i regioner med svingende vejrforhold. Så vi tog vejret og solspektret i betragtning, " siger Futscher. "Vi fandt ud af, at kombinationen af ​​en singlet fission foton multiplikator og silicium solceller fungerer lige så godt som kombinationen perovskites med silicium (tandem). Imidlertid, under svingende vejrforhold fundet i Holland, singlet fission foton multiplikator viser sig at være et mere stabilt valg."

Det faktum, at singlet fission-baserede solceller potentielt fungerer lige så godt som tandem solceller - og endnu bedre, under visse omstændigheder - gør det til et meget interessant alternativ. "Disse fotonmultiplikatorer er nemme at lave. Det er i bund og grund en tynd plastfolie, der kan placeres oven på en eksisterende solcelle. Selve solcelleteknologien skal ikke ændres, " siger Futscher. "Selvom teknologien fungerer bedst med de nyeste avancerede solceller, sådan en singlet fissionsfolie ville endda forbedre ydeevnen af ​​siliciumsolcellerne i brug, især under de varierende vejrforhold, vi står over for i Holland."