Kvanteskæring, opkonvertering og temperaturføling hjælper med termisk styring i siliciumbaserede solceller

Introduktion af lyskonverteringsmaterialer i siliciumbaserede fotovoltaiske enheder er en effektiv måde at forbedre deres fotoelektriske konverteringseffektivitet. Lyskonverteringsmaterialer omfatter kvanteskæringsmaterialer og opkonverteringsmaterialer.

Formålet med at introducere kvanteskærende materialer er at opdele en kortbølgelængdefoton i to eller flere fotoner, der kan slutte sig til den fotoelektriske omdannelse i siliciumbaserede fotovoltaiske enheder. Introduktion af opkonverteringsmaterialer er gjort for at kombinere to eller flere infrarøde fotoner til én foton, der også kan bruges til fotoelektrisk konvertering i siliciumbaserede fotovoltaiske enheder.

Indførelsen af ​​lyskonverteringsmaterialer kan forbedre fotoelektrisk konverteringseffektivitet uden at ændre ydeevnen af ​​siliciumbaserede solceller selv. Denne metode kan i høj grad reducere de tekniske vanskeligheder med at forbedre effektiviteten af ​​siliciumbaserede solcelleanlæg. Derudover udsættes siliciumbaserede solcelleapparater for sollys, så deres temperatur skal styres. Håndtering af denne temperatur kræver måling på forhånd.

Det er dog muligt, at hvis tre materialer, der individuelt kan opnå kvanteskæring, opkonvertering og temperaturføling, samtidig introduceres i siliciumbaserede solceller, vil det føre til vanskeligheder i solcellestrukturdesign og unødvendig stigning i produktomkostningerne. Derfor er det en udfordring at finde og udvikle højtydende materialer, der kombinerer ovenstående tre funktioner.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , rapporterer forskere fra School of Science, Dalian Maritime University, at de har opnået højeffektiv fotosplit, næsten ren infrarød opkonverteringsemission og passende temperaturføling til termisk styring i siliciumbaserede solceller ved at justere dopingkoncentrationerne af Er ³⁺ og Yb ³⁺ i NaY(WO₄ )₂ fosfor.

Arbejdet afslører, at dette alt-i-én-materiale er en fremragende kandidat til anvendelse i siliciumbaserede solceller for at forbedre deres fotoelektriske konverteringseffektivitet og forbedre deres varmestyring.

En dybdegående forståelse af kvanteskæringsmekanismen er vigtig for at designe og vurdere kvanteskæringsmaterialerne. Men i mange tilfælde er kvanteskæringsprocesser komplicerede. I dette arbejde dekrypterede forfatterne omhyggeligt fotoopdelingstrinene i Er ³⁺ /Yb ³⁺ co-doteret NaY(WO₄ )₂ for at hjælpe den dopingkoncentrationsafhængige spektroskopi og fluorescensdynamik.

Holdet udtaler:"Baseret på de optiske spektroskopiske analyser blev kvanteskæringsmekanismen opdaget, og fotonspaltningsprocessen inkluderer to-trins energioverførselsprocesser, nemlig ⁴ S_3/2 + ² F_7/2 ⁴ I_11/2 + ² F_5/2 og ⁴ I_11/2 + ² F_7/2 ⁴ I_15/2 + ² F_5/2 ."

Kvanteskæringseffektiviteten kan bekræftes eksperimentelt og teoretisk. I det ideelle tilfælde er den målte kvanteskæringseffektivitet også defineret som den interne kvanteeffektivitet, men den er forskellig fra den traditionelle definition af intern kvanteeffektivitet. Måleteknikken for kvanteeffektiviteterne er stadig ikke tilfredsstillende, da måleresultaterne kompliceres af for mange ukontrollerbare faktorer.

Derfor bliver den teoretiske interne kvanteskæringseffektivitet betydelig. Forfatterne hævder, "Kvanteskæringsmekanismen blev opdaget af de optiske spektroskopiske analyser, og kvanteskæringseffektiviteten blev beregnet ved hjælp af Judd-Ofelt teori, Föster-Dexter teori, energigab lov." Forfatterne estimerede den interne kvanteskæringseffektivitet for NaY(WO₄ )₂ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ ved at tage højde for strålingsovergange, ikke-strålende overgange og energioverførsler og opnåede en effektivitet helt op til 173 %.

Et andet vigtigt punkt i dette arbejde er, at forskerne opnåede næsten ren nær-infrarød emission af Yb ³⁺ .

Holdet observerer:"Disse opkonverteringsmekanismer fortæller os, at både Er ³⁺ og Er ³⁺ /Yb ³⁺ dopet NaY(WO₄ )₂ fosfor udviser stærke nær-infrarøde emissioner fra ⁴ I_11/2 ⁴ I_15/2 af Er ³⁺ og ² F_5/2 ² F_7/2 af Yb ³⁺ hvilket indikerer, at de undersøgte fosfor er gode lyskonverteringskandidater til siliciumbaserede solcelleapplikationer."

Flere oplysninger: Duan Gao et al., Nær infrarøde emissioner fra både højeffektiv kvanteskæring (173 %) og næsten ren farve opkonvertering i NaY(WO4)2:Er3+/Yb3+ med termisk styringsevne til siliciumbaserede solceller, Lys :Videnskab og applikationer (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01365-2

Leveret af Chinese Academy of Sciences