Nanodeeltjes verhogen de lichtverstrooiing, verbeteren de prestaties van de zonnecel

Terwijl de vraag naar zonne-energie over de hele wereld stijgt, werken wetenschappers aan het verbeteren van de prestaties van zonne-apparaten – belangrijk als de technologie moet concurreren met traditionele brandstoffen. Maar onderzoekers worden geconfronteerd met theoretische grenzen aan hoe efficiënt ze zonnecellen kunnen maken.

Een methode om de efficiëntie voorbij die limieten te duwen, is het toevoegen van opwaartse conversie-nanodeeltjes aan de materialen die in de zonne-apparaten worden gebruikt. Met up-conversiematerialen kunnen zonnecellen energie oogsten uit een breder lichtspectrum dan normaal mogelijk is. Een team van wetenschappers dat deze aanpak testte, ontdekte dat de nanodeeltjes de efficiëntie verhoogden, maar niet om de reden die ze hadden verwacht. Hun onderzoek kan een nieuwe weg voorwaarts suggereren voor het ontwikkelen van efficiëntere zonne-apparaten.

“Sommige onderzoekers in de literatuur hebben de hypothese geopperd en resultaten laten zien dat op-conversie-nanodeeltjes de prestaties een boost geven”, zegt Shashank Priya, associate vice-president voor onderzoek en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering aan Penn State. “Maar dit onderzoek toont aan dat het niet uitmaakt of je nanodeeltjes met opwaartse conversie of andere nanodeeltjes toevoegt – ze zullen de verhoogde efficiëntie laten zien vanwege de verbeterde lichtverstrooiing.”

Het toevoegen van nanodeeltjes is als het toevoegen van miljoenen kleine spiegels in een zonnecel, aldus de wetenschappers. Licht dat door het apparaat reist, raakt de nanodeeltjes en verstrooit, waardoor het mogelijk andere nanodeeltjes raakt en vele malen reflecteert in het apparaat en een merkbare verbetering van de fotostroom oplevert.

De wetenschappers zeiden dat dit lichtverstrooiingsproces en niet de up-conversie leidde tot een verhoogde efficiëntie in zonne-apparaten die ze creëerden.

“Het maakt niet uit welke nanodeeltjes je erin stopt, zolang ze nanodeeltjes hebben met specifieke verstrooiingseigenschappen, leidt het altijd tot een verhoging van de efficiëntie met een paar procentpunten,” zei Kai Wang, assistent-onderzoeksprofessor bij de afdeling Materiaalkunde en Engineering, en co-auteur van de studie. “Ik denk dat ons onderzoek een mooie verklaring geeft waarom dit type lichtabsorberende composietstructuur interessant is voor de zonnegemeenschap.”

Opwaartse conversie nanodeeltjes werken door infrarood licht te absorberen en zichtbaar licht uit te zenden dat zonnecel kan absorberen en omzetten in extra vermogen. Bijna de helft van de energie van de zon bereikt de aarde als infrarood licht, maar de meeste zonnecellen kunnen het niet oogsten. Wetenschappers hebben voorgesteld dat door hier gebruik van te maken de efficiëntie van zonnecellen voorbij het theoretische plafond zou kunnen komen, de Shockley-Queisser (SQ) limiet, die ongeveer 30% is voor zonnecellen met enkelvoudige verbinding die worden aangedreven door zonlicht.

Eerdere studies hebben een efficiëntieverbetering van 1% tot 2% aangetoond met behulp van up-conversie nanodeeltjes. Maar het team ontdekte dat deze materialen slechts een zeer kleine boost gaven aan perovskiet-zonne-apparaten die ze maakten, aldus de wetenschappers.

“We waren aanvankelijk gericht op het up-converteren van infrarood licht naar het zichtbare spectrum voor absorptie en energieconversie door perovskiet, maar de gegevens van onze Penn State-collega’s gaven aan dat dit geen significant proces was”, zegt Jim Piper, co-auteur en emeritus professor aan de Macquarie University, Australië. “Vervolgens hebben we ongedoteerde nanokristallen geleverd die geen optische opwaartse conversie geven en ze waren net zo effectief in het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie.”

Het team voerde theoretische berekeningen uit en ontdekte dat de verhoging van de efficiëntie in plaats daarvan het gevolg was van het vermogen van de nanodeeltjes om de lichtverstrooiing te verbeteren.

“We begonnen in feite te spelen met de verdeling van nanodeeltjes in het model, en we begonnen in te zien dat als je de deeltjes ver van elkaar verspreidt, je wat verbeterde verstrooiing begint te zien”, zegt Thomas Brown, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Rome. “Toen hadden we deze doorbraak.”

Het toevoegen van de nanodeeltjes verhoogde de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen met 1% in het onderzoek, rapporteerden de wetenschappers in het tijdschrift ACS Energiebrieven. De wetenschappers zeiden dat het veranderen van de vorm, grootte en distributie van nanodeeltjes in deze apparaten hogere efficiëntie zou kunnen opleveren.

“Dus een optimale vorm, verdeling of grootte kan zelfs leiden tot nog meer fotostroom-betovering,” zei Priya. “Dat zou de toekomstige onderzoeksrichting kunnen zijn op basis van ideeën uit dit onderzoek.”