En forskare innehar en perovskitemodul. Kredit:Penn State
När efterfrågan på solenergi ökar runt om i världen arbetar forskare med att förbättra prestandan hos solenergienheter – viktigt om tekniken ska konkurrera med traditionella bränslen. Men forskare möter teoretiska gränser för hur effektiva de kan göra solceller.
En metod för att driva effektiviteten bortom dessa gränser innebär att lägga till uppkonverteringsnanopartiklar till materialen som används i solenheterna. Uppkonverteringsmaterial tillåter solceller att skörda energi från ett bredare spektrum av ljus än normalt möjligt. Ett team av forskare som testade detta tillvägagångssätt fann att nanopartiklarna ökade effektiviteten, men inte av den anledningen de förväntade sig. Deras forskning kan föreslå en ny väg framåt för att utveckla mer effektiva solenergiapparater.
"Vissa forskare i litteraturen har antagit och visat resultat att nanopartiklar med uppkonvertering ger en boost i prestanda", säger Shashank Priya, biträdande vicepresident för forskning och professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State. "Men den här forskningen visar att det inte spelar någon roll om du lägger i nanopartiklar med uppkonvertering eller andra nanopartiklar - de kommer att visa den ökade effektiviteten på grund av den förbättrade ljusspridningen."
Att lägga till nanopartiklar är som att lägga till miljontals små speglar inuti en solcell, sa forskarna. Ljus som färdas genom enheten träffar nanopartiklarna och sprider, potentiellt träffar andra nanopartiklar och reflekteras många gånger inuti enheten och ger en märkbar förbättring av fotoströmmen.
Forskarna sa att denna ljusspridningsprocess och inte uppkonvertering ledde till ökad effektivitet i solenergienheter som de skapade.
"Det spelar ingen roll vilka nanopartiklar du stoppar i dig, så länge de är i nanostorlek med specifika spridningsegenskaper leder det alltid till en ökning av effektiviteten med några procentenheter," sa Kai Wang, biträdande forskningsprofessor vid Institutionen för materialvetenskap och Ingenjör, och medförfattare till studien. "Jag tror att vår forskning ger en bra förklaring till varför den här typen av sammansatt ljusabsorberande struktur är intressant för solsamhället."
Uppkonverterande nanopartiklar fungerar genom att absorbera infrarött ljus och sända ut synligt ljus som solceller kan absorbera och omvandla till ytterligare kraft. Nästan hälften av energin från solen når jorden som infrarött ljus, men de flesta solceller kan inte skörda den. Forskare har föreslagit att ett utnyttjande av detta skulle kunna driva solcellseffektiviteten förbi dess teoretiska tak, Shockley-Queisser (SQ)-gränsen, som är cirka 30 % för solceller med en korsning som drivs av solljus.
Tidigare studier har visat en ökning av effektiviteten med 1 % till 2 % genom att använda nanopartiklar med uppkonvertering. Men teamet fann att dessa material bara gav en mycket liten ökning av perovskit-solenheter som de skapade, sa forskarna.
"Vi var initialt fokuserade på att uppkonvertera infrarött ljus till det synliga spektrumet för absorption och energiomvandling av perovskit, men data från våra Penn State-kollegor visade att detta inte var en betydande process", säger Jim Piper, medförfattare och emeritusprofessor. vid Macquarie University, Australien. "Sedan har vi tillhandahållit odopade nanokristaller som inte ger optisk uppkonvertering och de var lika effektiva för att förbättra energiomvandlingseffektiviteten."
Teamet utförde teoretiska beräkningar och fann att effektivitetsökningen istället berodde på nanopartiklarnas förmåga att förbättra ljusspridningen.
"Vi började i princip leka med nanopartikelfördelning i modellen, och vi började se att när du distribuerar partiklarna långt ifrån varandra, börjar du se en viss ökad spridning", säger Thomas Brown, docent vid University of Rom. "Då hade vi det här genombrottet."
Att lägga till nanopartiklar ökade effektiviteten hos perovskitsolceller med 1 % i studien, rapporterade forskarna i tidskriften ACS Energy Letters . Forskarna sa att en förändring av formen, storleken och fördelningen av nanopartiklar i dessa enheter skulle kunna ge högre effektivitet.
"Så någon optimal form, distribution eller storlek kan faktiskt leda till ännu mer fotoströmförtrollning," sa Priya. "Det kan vara den framtida forskningsriktningen baserad på idéer från denna forskning." + Utforska vidare
