Nanopartikler øger lysspredning, øger solcellens ydeevne

Efterhånden som efterspørgslen efter solenergi stiger rundt om i verden, arbejder videnskabsmænd på at forbedre ydeevnen af ​​solenergienheder - vigtigt, hvis teknologien skal konkurrere med traditionelle brændstoffer. Men forskere står over for teoretiske grænser for, hvor effektive de kan lave solceller.

En metode til at skubbe effektiviteten ud over disse grænser involverer tilføjelse af opkonverterende nanopartikler til de materialer, der bruges i solenergienhederne. Opkonverteringsmaterialer gør det muligt for solceller at høste energi fra et bredere lysspektrum end normalt muligt. Et team af forskere, der testede denne tilgang, fandt, at nanopartiklerne øgede effektiviteten, men ikke af den grund, de forventede. Deres forskning kan foreslå en ny vej frem til udvikling af mere effektive solenergienheder.

"Nogle forskere i litteraturen har antaget og vist resultater, at up-conversion nanopartikler giver et boost i ydeevnen," sagde Shashank Priya, associeret vicepræsident for forskning og professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State. "Men denne forskning viser, at det er ligegyldigt, om du tilføjer opkonverterende nanopartikler eller andre nanopartikler - de vil vise den øgede effektivitet på grund af den forbedrede lysspredning."

At tilføje nanopartikler er som at tilføje millioner af små spejle inde i en solcelle, sagde forskerne. Lys, der bevæger sig gennem enheden, rammer nanopartiklerne og spreder, potentielt rammer andre nanopartikler og reflekteres mange gange i enheden og giver en mærkbar fotostrømforbedring.

Forskerne sagde, at denne lysspredningsproces og ikke opkonvertering førte til øget effektivitet i solenergienheder, de skabte.

"Det er lige meget, hvilke nanopartikler du putter i, så længe de er i nanostørrelse med specifikke spredningsegenskaber, fører det altid til en stigning i effektiviteten med nogle få procentpoint," sagde Kai Wang, assisterende forskningsprofessor ved Institut for Materialevidenskab og Engineering, og medforfatter til undersøgelsen. "Jeg synes, vores forskning giver en god forklaring på, hvorfor denne type sammensatte lysabsorberende struktur er interessant for solsamfundet."

Opkonverterende nanopartikler virker ved at absorbere infrarødt lys og udsende synligt lys, som solceller kan absorbere og omdanne til yderligere strøm. Næsten halvdelen af ​​energien fra solen når Jorden som infrarødt lys, men de fleste solceller er ikke i stand til at høste det. Forskere har foreslået, at udnyttelse af dette kunne skubbe solcelleeffektiviteten forbi dets teoretiske loft, Shockley-Queisser-grænsen (SQ), som er omkring 30 % for solceller med enkelt kryds drevet af sollys.

Tidligere undersøgelser har vist et løft på 1% til 2% i effektivitet ved brug af opkonverterende nanopartikler. Men holdet fandt, at disse materialer kun gav et meget lille løft i perovskit-solenheder, de skabte, sagde forskerne.

"Vi var oprindeligt fokuseret på at opkonvertere infrarødt lys til det synlige spektrum for absorption og energiomdannelse af perovskit, men dataene fra vores Penn State-kolleger indikerede, at dette ikke var en væsentlig proces," sagde Jim Piper, medforfatter og emeritusprofessor. ved Macquarie University, Australien. "Efterfølgende leverede vi udopede nanokrystaller, der ikke giver optisk opkonvertering, og de var lige så effektive til at forbedre energikonverteringseffektiviteten."

Holdet udførte teoretiske beregninger og fandt, at stigningen i effektivitet i stedet skyldtes nanopartiklernes evne til at forbedre lysspredning.

"Vi begyndte dybest set at lege med nanopartikelfordelingen i modellen, og vi begyndte at se, at når du fordeler partiklerne langt væk fra hinanden, begynder du at se en øget spredning," siger Thomas Brown, lektor ved University of Rom. "Så fik vi det her gennembrud."

Tilføjelse af nanopartikler øgede effektiviteten af ​​perovskit-solceller med 1 % i undersøgelsen, rapporterede forskerne i tidsskriftet ACS Energy Letters . Forskerne sagde, at ændring af form, størrelse og fordeling af nanopartikler i disse enheder kunne give højere effektivitet.

"Så en optimal form, fordeling eller størrelse kan faktisk føre til endnu mere fotostrøm fortryllelse," sagde Priya. "Det kunne være den fremtidige forskningsretning baseret på ideer fra denne forskning." + Udforsk yderligere

Forbedring af solenergieffektiviteten med opkonvertering