Omformning af solspektret for at omdanne lys til elektricitet

Når det kommer til installation af solceller, lønomkostninger og omkostningerne til jorden til at huse dem udgør hovedparten af ​​udgifterne. Solcellerne - ofte lavet af silicium eller cadmiumtellurid - koster sjældent mere end 20 procent af de samlede omkostninger. Solenergi kunne gøres billigere, hvis der skulle købes mindre jord til at rumme solpaneler, bedst opnået, hvis hver solcelle kunne lokkes til at generere mere strøm.

En enorm gevinst i denne retning er nu opnået af et hold af kemikere ved University of California, Riverside, der har fundet en genial måde at gøre solenergikonvertering mere effektiv. Forskerne rapporterer i Nano bogstaver at ved at kombinere uorganiske halvledernanokrystaller med organiske molekyler, det er lykkedes dem at "opkonvertere" fotoner i de synlige og nær-infrarøde områder af solspektret.

"Det infrarøde område af solspektret passerer lige gennem de fotovoltaiske materialer, der udgør nutidens solceller, " forklarede Christopher Bardeen, en professor i kemi. Forskningen var et samarbejde mellem ham og Ming Lee Tang, en adjunkt i kemi. "Dette er energi tabt, uanset hvor god din solcelle er. Det hybridmateriale, vi har fundet på, fanger først to infrarøde fotoner, der normalt ville passere lige gennem en solcelle uden at blive omdannet til elektricitet, lægger derefter deres energier sammen for at lave en højere energifoton. Denne opkonverterede foton absorberes let af fotovoltaiske celler, generere elektricitet fra lys, der normalt ville være spildt."

Bardeen tilføjede, at disse materialer i det væsentlige "omformer solspektret", så det bedre matcher de fotovoltaiske materialer, der bruges i dag i solceller. Evnen til at udnytte den infrarøde del af solspektret kan øge solenergiens effektivitet med 30 procent eller mere.

I deres eksperimenter, Bardeen og Tang arbejdede med cadmiumselenid og blyselenid halvleder nanokrystaller. De organiske forbindelser, de brugte til at fremstille hybriderne, var diphenylanthracen og rubren. Nanokrystallerne af cadmiumselenid kunne konvertere synlige bølgelængder til ultraviolette fotoner, mens blyselenid-nanokrystallerne kunne omdanne nær-infrarøde fotoner til synlige fotoner.

I laboratorieforsøg, forskerne rettede 980 nanometer infrarødt lys mod hybridmaterialet, som derefter genererede opkonverteret orange/gult fluorescerende lys på 550 nanometer, næsten en fordobling af energien af ​​de indkommende fotoner. Forskerne var i stand til at booste opkonverteringsprocessen med op til tre størrelsesordener ved at belægge cadmiumselenid nanokrystallerne med organiske ligander, giver en vej til højere effektivitet.

"Dette lys på 550 nanometer kan absorberes af ethvert solcellemateriale, " sagde Bardeen. "Nøglen til denne forskning er det hybride kompositmateriale - der kombinerer uorganiske halvledernanopartikler med organiske forbindelser. Organiske forbindelser kan ikke absorbere i det infrarøde, men er gode til at kombinere to fotoner med lavere energi til en foton med højere energi. Ved at bruge et hybridmateriale, den uorganiske komponent absorberer to fotoner og sender deres energi videre til den organiske komponent til kombination. De organiske forbindelser producerer derefter én højenergifoton. Enkelt sagt, de uorganiske stoffer i kompositmaterialet tager lys ind; det organiske får lys ud."

Udover solenergi, evnen til at opkonvertere to lavenergifotoner til én højenergifoton har potentielle anvendelser i biologisk billeddannelse, datalagring og organiske lysdioder. Bardeen understregede, at forskningen kunne have vidtrækkende implikationer.

"Evnen til at flytte lysenergi fra en bølgelængde til en anden, mere nyttig region, for eksempel, fra rød til blå, kan påvirke enhver teknologi, der involverer fotoner som input eller output, " han sagde.