Наночастицы увеличивают светорассеяние и повышают производительность солнечных элементов
Группа ученых, тестирующих подход добавления наночастиц с повышающей конверсией к материалам, обнаружила, что наночастицы повышают эффективность, но не по той причине, которую они ожидали. Их исследование может предложить новый путь для разработки более эффективных солнечных устройств.
Исследователь держит перовскитовый модуль. Кредит: штат Пенсильвания
Поскольку спрос на солнечную энергию во всем мире растет, ученые работают над повышением производительности солнечных устройств, что важно, если технология должна конкурировать с традиционными видами топлива. Но исследователи сталкиваются с теоретическими ограничениями в отношении того, насколько эффективными они могут сделать солнечные элементы.
Один из методов повышения эффективности за эти пределы заключается в добавлении наночастиц с повышающей конверсией к материалам, используемым в солнечных устройствах. Материалы для преобразования с повышением частоты позволяют солнечным элементам собирать энергию из более широкого спектра света, чем это обычно возможно. Группа ученых, тестирующих этот подход, обнаружила, что наночастицы повышают эффективность, но не по той причине, которую они ожидали. Их исследование может предложить новый путь для разработки более эффективных солнечных устройств.
«Некоторые исследователи в литературе выдвинули гипотезу и показали результаты, что наночастицы с повышающей конверсией обеспечивают повышение производительности», — сказал Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете. «Но это исследование показывает, что не имеет значения, используете ли вы наночастицы с повышающей конверсией или любые другие наночастицы — они покажут повышенную эффективность из-за усиления светорассеяния».
По словам ученых, добавление наночастиц похоже на добавление миллионов маленьких зеркал внутрь солнечного элемента. Свет, проходящий через устройство, сталкивается с наночастицами и рассеивается, потенциально сталкиваясь с другими наночастицами и многократно отражаясь внутри устройства, обеспечивая заметное усиление фототока.
Ученые заявили, что этот процесс рассеяния света, а не преобразование с повышением частоты, привел к повышению эффективности созданных ими солнечных устройств.
«Неважно, какие наночастицы вы добавляете, если они имеют наноразмеры с определенными рассеивающими свойствами, это всегда приводит к увеличению эффективности на несколько процентных пунктов», — сказал Кай Ван, доцент кафедры материаловедения и науки. Инжиниринг и соавтор исследования. «Я думаю, что наше исследование дает хорошее объяснение того, почему этот тип композитной светопоглощающей структуры интересен для солнечного сообщества».
Наночастицы с повышающим преобразованием работают, поглощая инфракрасный свет и излучая видимый свет, который солнечный элемент может поглощать и преобразовывать в дополнительную энергию. Почти половина солнечной энергии достигает Земли в виде инфракрасного света, но большинство солнечных элементов не могут его собрать. Ученые предположили, что использование этого может привести к тому, что эффективность солнечных элементов превысит теоретический потолок, предел Шокли-Квиссера (SQ), который составляет около 30% для однопереходных солнечных элементов, питающихся от солнечного света.
Предыдущие исследования показали повышение эффективности на 1-2% при использовании наночастиц с повышающим преобразованием. Но команда обнаружила, что эти материалы обеспечивают лишь очень небольшой импульс для созданных ими перовскитных солнечных устройств, говорят ученые.
«Изначально мы были сосредоточены на преобразовании инфракрасного света в видимый спектр для поглощения и преобразования энергии перовскитом, но данные наших коллег из Пенсильвании показали, что это не был значительный процесс», — сказал Джим Пайпер, соавтор и почетный профессор в Университете Маккуори, Австралия. «Впоследствии мы предоставили нелегированные нанокристаллы, которые не дают оптического преобразования с повышением частоты, и они были столь же эффективны для повышения эффективности преобразования энергии».
Команда провела теоретические расчеты и обнаружила, что повышение эффективности вместо этого является результатом способности наночастиц улучшать светорассеяние.
«Мы начали в основном играть с распределением наночастиц в модели, и мы начали видеть, что, когда вы распределяете частицы далеко друг от друга, вы начинаете видеть некоторое усиленное рассеяние», — сказал Томас Браун, доцент Университета США. Рим. «Тогда у нас был этот прорыв».
Ученые сообщили в журнале ACS Energy Letters, что добавление наночастиц повысило эффективность перовскитных солнечных элементов на 1% . Ученые заявили, что изменение формы, размера и распределения наночастиц внутри этих устройств может повысить эффективность.
«Таким образом, некоторая оптимальная форма, распределение или размер могут на самом деле привести к еще большему очарованию фототока», — сказала Прия. «Это может стать будущим направлением исследований, основанным на идеях этого исследования».
