Los científicos están tratando de mejorar el rendimiento de los dispositivos solares a medida que aumenta la demanda mundial de energía solar. Esto es esencial para que la tecnología solar compita con las fuentes de energía convencionales. Sin embargo, existen limitaciones teóricas sobre la eficacia con la que se pueden fabricar las células solares.
La adición de nanopartículas de conversión ascendente a los componentes de las células solares es una forma de aumentar la eficiencia más allá de estas limitaciones. Gracias a los materiales de conversión ascendente, las células solares ahora pueden absorber energía de un espectro de luz más amplio de lo que normalmente podrían.
Las nanopartículas aumentaron la eficiencia, pero no de la manera que esperaba el equipo de investigación. Su descubrimiento podría señalar una nueva dirección para el desarrollo de dispositivos solares más efectivos.
Algunos investigadores en la literatura han planteado la hipótesis y han mostrado resultados de que las nanopartículas de conversión ascendente proporcionan un aumento del rendimiento. Pero esta investigación muestra que no importa si usa nanopartículas de conversión ascendente u otras nanopartículas: muestran una mayor eficiencia debido a una mejor dispersión de la luz.
Shashank Priya, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State
Los científicos compararon la adición de nanopartículas con la colocación de millones de pequeños espejos en una celda solar. Un aumento significativo en la fotocorriente resulta de la luz que pasa a través del dispositivo, golpea las nanopartículas y se dispersa, posiblemente golpeando otras nanopartículas, reflejándose varias veces dentro del dispositivo y golpeando otras nanopartículas.
Los científicos afirmaron que la mayor eficiencia de las células solares que construyeron fue causada por este mecanismo de dispersión de luz en lugar de conversión ascendente.
No importa qué nanopartículas se introduzcan, siempre que sean a nanoescala y tengan propiedades de dispersión específicas, esto siempre conduce a un aumento en la eficiencia de unos pocos puntos porcentuales. Creo que nuestra investigación proporciona una buena explicación de por qué este tipo de estructura compuesta que absorbe la luz es de interés para la comunidad solar.
Kai Wang, coautor del estudio y profesor asistente de investigación, Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Penn State
Las nanopartículas de conversión ascendente funcionan absorbiendo luz infrarroja y liberando luz visible que las células solares pueden captar y utilizar para generar más electricidad. Aunque la radiación infrarroja del sol viaja más de la mitad de la distancia a la tierra, la mayoría de las células solares no pueden capturarla.
El límite de Shockley-Queisser (SQ), que es de alrededor del 30 % para las células solares de unión única alimentadas con energía solar, es un límite superior teórico para la eficiencia de las células solares. Los científicos han afirmado que el uso de este método podría aumentar la eficiencia de las células solares más allá de este límite.
Se ha demostrado que el uso de nanopartículas de conversión ascendente aumenta la eficiencia en un 1-2%. Sin embargo, el equipo descubrió que las células solares de perovskita que fabricaron recibieron solo un pequeño impulso de estos materiales.
Inicialmente nos enfocamos en la conversión ascendente de la luz infrarroja al espectro visible para la absorción y conversión de energía por parte de la perovskita, pero los datos de nuestros colegas de Penn State mostraron que este no fue un proceso significativo. A continuación, proporcionamos nanocristales no dopados que no realizan conversión ascendente óptica y que fueron igual de efectivos para mejorar la eficiencia de conversión de energía.
Jim Piper, coautor del estudio y profesor emérito de la Universidad Macquarie
Según las estimaciones teóricas del equipo, el aumento de la eficiencia se debe a la capacidad mejorada de las nanopartículas para dispersar la luz.
Empezamos a jugar con la distribución de nanopartículas en el modelo, y empezamos a ver que si separas las partículas, ves una mayor dispersión. Entonces tuvimos este gran avance.
Thomas Brown, Profesor Asociado, Universidad de Roma
Según un estudio publicado en la revista Letras de energía ACS, la adición de nanopartículas aumentó la eficiencia de las células solares de perovskita en un 1 %. Se podría lograr una mayor eficiencia modificando la distribución, el tamaño y la forma de las nanopartículas utilizadas en estos dispositivos, según los investigadores.
Priya agregó: «Por lo tanto, una forma, distribución o tamaño óptimos pueden conducir a un encanto de fotocorriente aún mayor. Esa podría ser la futura dirección de la investigación basada en las ideas de esta investigación.”
Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física en Penn State, los profesores asistentes Alexei Pogrebnyakov, Dong Yang, los becarios postdoctorales Jungjin Yoon y Luyao Zheng, el estudiante graduado Yuchen Hou y el estudiante graduado Haodong Wu fueron otros investigadores.
Yiqing Lu, profesor titular de la Universidad de Macquarie en Australia, también contribuyó a este trabajo junto con los investigadores honorarios Xianlin Zheng y Jun Zhang.
Los científicos dijeron que el programa de biofísica de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea brindó numerosas oportunidades de colaboración que hicieron posible esta investigación. En una reunión de revisión anual de un programa, el equipo se reunió y primero discutió las posibilidades de investigación conjunta.
El programa AFOSR Research BioPhysics proporcionó fondos para este estudio. Algunos de los coautores recibieron apoyo de los programas del Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente: https://www.psu.edu/
