L'introduzione di materiali di conversione della luce nei dispositivi fotovoltaici a base di silicio è un modo efficace per migliorare la loro efficienza di conversione fotoelettrica. I materiali per la conversione della luce includono materiali per il taglio quantistico e materiali per l'upconversion.
Lo scopo dell’introduzione dei materiali a taglio quantistico è quello di dividere un fotone a lunghezza d’onda corta in due o più fotoni che possano unirsi alla conversione fotoelettrica nei dispositivi fotovoltaici a base di silicio. L'introduzione dei materiali di upconversion viene effettuata per combinare due o più fotoni infrarossi in un fotone che può essere utilizzato anche per la conversione fotoelettrica nei dispositivi fotovoltaici a base di silicio.
L'introduzione di materiali per la conversione della luce può migliorare l'efficienza della conversione fotoelettrica senza modificare le prestazioni delle stesse celle solari a base di silicio. Questo metodo può ridurre notevolmente la difficoltà tecnica di migliorare l'efficienza dei sistemi fotovoltaici basati sul silicio. Inoltre, i dispositivi fotovoltaici a base di silicio sono esposti alla luce solare, quindi la loro temperatura deve essere gestita. Per gestire questa temperatura è necessario misurarla in anticipo.
Tuttavia, è possibile che se tre materiali in grado di ottenere individualmente il taglio quantico, l’upconversion e il rilevamento della temperatura venissero introdotti contemporaneamente nelle celle solari a base di silicio, ciò porterebbe a difficoltà nella progettazione della struttura delle celle solari e ad un inutile aumento dei costi del prodotto. Pertanto, trovare e sviluppare materiali ad alte prestazioni che combinino le tre funzioni precedenti è una sfida.
In un nuovo articolo pubblicato su Light:Science &Applications , i ricercatori della School of Science dell'Università Marittima di Dalian riferiscono di aver ottenuto una suddivisione della foto altamente efficiente, un'emissione di upconversion a infrarossi quasi pura e un rilevamento della temperatura adeguato per la gestione termica nelle celle solari a base di silicio regolando le concentrazioni di drogaggio di Er 3+ e Yb 3+ in NaY(WO4 )2 fosforo.
Il lavoro rivela che questo materiale tutto in uno è un eccellente candidato per l'applicazione nelle celle solari a base di silicio per migliorarne l'efficienza di conversione fotoelettrica e migliorare la gestione del calore.
Una comprensione approfondita del meccanismo del taglio quantistico è importante per progettare e valutare i materiali a taglio quantistico. Tuttavia, in molti casi, i processi di taglio quantistico sono complicati. In questo lavoro, gli autori hanno decifrato attentamente i passaggi di suddivisione delle foto in Er 3+ /Yb 3+ co-drogato NaY(WO4 )2 per assistere la spettroscopia dipendente dalla concentrazione del doping e la dinamica della fluorescenza.
Il team afferma:"Sulla base delle analisi spettroscopiche ottiche, è stato scoperto il meccanismo di taglio quantistico e il processo di scissione dei fotoni include processi di trasferimento di energia in due fasi, vale a dire 4 S3/2 + 2 F7/2 4 Io2/11 + 2 F5/2 e 4 Io2/11 + 2 F7/2 4 Io15/2 + 2 F5/2 ."
L'efficienza del taglio quantistico può essere confermata sperimentalmente e teoricamente. Nel caso ideale, l’efficienza di taglio quantistico misurata è anche definita efficienza quantistica interna, ma è diversa dalla definizione tradizionale di efficienza quantistica interna. La tecnica di misurazione dell'efficienza quantistica non è ancora soddisfacente poiché i risultati della misurazione sono complicati da troppi fattori incontrollabili.
Pertanto, l’efficienza teorica del taglio quantistico interno diventa significativa. Gli autori affermano:"Il meccanismo del taglio quantistico è stato scoperto dalle analisi spettroscopiche ottiche e le efficienze del taglio quantistico sono state calcolate in supporto della teoria di Judd-Ofelt, della teoria di Föster-Dexter e della legge del gap energetico". Gli autori hanno stimato le efficienze interne di taglio quantistico per NaY(WO4 )2 :Ehm 3+ /Yb 3+ prendendo in considerazione le transizioni radiative, le transizioni non radiative e i trasferimenti di energia, e ha raggiunto un'efficienza fino al 173%.
Un altro punto importante di questo lavoro è che i ricercatori hanno ottenuto un'emissione quasi pura di Yb 3+ nel vicino infrarosso .
Il team osserva:"Questi meccanismi di conversione ci dicono che sia Er 3+ ed Er 3+ /Yb 3+ drogato NaY(WO4 )2 i fosfori mostrano forti emissioni nel vicino infrarosso da 4 Io2/11 4 Io15/2 di Er 3+ e 2 F5/2 2 F7/2 di Yb 3+ ciò indica che i fosfori studiati sono buoni candidati alla conversione della luce per applicazioni di celle solari a base di silicio."
Ulteriori informazioni: Duan Gao et al, Emissioni nel vicino infrarosso derivanti sia dal taglio quantico ad alta efficienza (173%) che dall'upconversion di colore quasi puro in NaY(WO4)2:Er3+/Yb3+ con capacità di gestione termica per celle solari a base di silicio, Luce :Scienza e applicazioni (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01365-2
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
