Solen är vår mest lovande källa till ren och förnybar energi. Energin som når jorden från solen på en timme motsvarar nästan den som människor förbrukar under ett år. Solceller kan utnyttja denna enorma energikälla genom att omvandla ljus till en elektrisk ström. Dock, dessa enheter kräver fortfarande betydande effektivitetsförbättringar innan de kan konkurrera med mer traditionella energikällor.

Xiaogang Liu, Alfred Ling Yoong Tok och deras medarbetare vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, National University of Singapore och Nanyang Technological University, Singapore, har nu utvecklat en metod för att använda nanostrukturer för att öka andelen av inkommande ljus som absorberas av ett ljusupptagande material. Metoden är idealisk för användning med högeffektiva solceller.

Solceller absorberar paket av optisk energi som kallas fotoner och använder sedan fotonerna för att generera elektroner. Energin hos några fotoner från solen, dock, är för liten för att skapa elektroner på detta sätt och går därför förlorad. Liu, Tok och deras medarbetare kringgick denna förlust med en effekt som kallas uppkonvertering. I denna process, två lågenergifotoner kombineras för att producera en enda högenergifoton. Denna energiska foton kan sedan absorberas av den aktiva delen av solcellen.

Forskarnas enhet bestod av en ram av titanoxid fylld med ett regelbundet arrangemang av luftporer ungefär en halv mikrometer tvärs över - en struktur som kallas en omvänd opal (se bild). Sfärer av uppkonverteringsmaterialet, som var 30 nanometer i diameter, satt på ytan av dessa porer. Små ljuskänsliga kvantprickar gjorda av kristaller av kadmiumselenid täckte dessa nanosfärer.

Kvantprickarna absorberade effektivt inkommande ljus, antingen direkt från en extern källa eller från okonverterade fotoner från nanosfärerna, och omvandlade det till elektroner. Denna laddning strömmade sedan in i titanoxidramen. "Den omvända opalen av titanoxid skapar en kontinuerlig elektronledande väg och ger en stor gränsyta för att stödja uppkonverteringsnanopartiklarna och kvantprickarna, " förklarar Liu.

Liu, Tok och teamet testade enheten genom att skjuta laserljus mot den med en våglängd på 980 nanometer, som normalt inte absorberas av kadmiumselenidkvantprickar. Som förväntat, de kunde mäta en mycket högre elektrisk ström än samma experiment som utfördes med en anordning utan uppkonvertering av nanosfärer. "Vi tror att den förbättrade energiöverföringen och ljusskörden kan ge en mycket konkurrensfördel jämfört med konventionella kiselsolceller, säger Liu.