Fotografie di upconversion in una cuvetta contenente una miscela di seleniuro di cadmio/rubrene. La macchia gialla è l'emissione del rubrene proveniente da (a) un laser non focalizzato ad onda continua da 800 nm con un'intensità di 300 W/cm2. (b) un laser focalizzato ad onda continua da 980 nm con un'intensità di 2000 W/cm2. Le fotografie, scattata con un iPhone 5, non sono stati modificati in alcun modo. Credito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Quando si tratta di installare celle solari, il costo del lavoro e il costo del terreno per ospitarli costituiscono il grosso della spesa. Le celle solari, spesso realizzate in silicio o tellururo di cadmio, raramente costano più del 20% del costo totale. L'energia solare potrebbe essere resa più economica se si dovesse acquistare meno terreno per ospitare i pannelli solari, meglio se ogni cella solare potesse essere persuasa a generare più energia.
Un enorme vantaggio in questa direzione è stato ora ottenuto da un team di chimici dell'Università della California, Riverside che ha trovato un modo ingegnoso per rendere più efficiente la conversione dell'energia solare. I ricercatori riferiscono in Nano lettere che combinando nanocristalli semiconduttori inorganici con molecole organiche, sono riusciti a "convertire" i fotoni nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso dello spettro solare.
"La regione infrarossa dello spettro solare passa proprio attraverso i materiali fotovoltaici che compongono le celle solari di oggi, " ha spiegato Christopher Bardeen, un professore di chimica. La ricerca è stata uno sforzo collaborativo tra lui e Ming Lee Tang, un assistente professore di chimica. "Questa è energia persa, non importa quanto sia buona la tua cella solare. Il materiale ibrido che abbiamo creato cattura per primo due fotoni infrarossi che normalmente passerebbero attraverso una cella solare senza essere convertiti in elettricità, poi somma le loro energie per creare un fotone di energia più alta. Questo fotone convertito viene prontamente assorbito dalle celle fotovoltaiche, generare elettricità dalla luce che normalmente andrebbe sprecata."
Bardeen ha aggiunto che questi materiali stanno essenzialmente "rimodellando lo spettro solare" in modo che corrisponda meglio ai materiali fotovoltaici utilizzati oggi nelle celle solari. La capacità di utilizzare la porzione infrarossa dello spettro solare potrebbe aumentare l'efficienza del solare fotovoltaico del 30% o più.
Fotografie di upconversion in una cuvetta contenente (a) un seleniuro di cadmio ottimizzato /9-ACA/DPA e (b) una miscela di seleniuro di cadmio /ODPA/DPA. (9-ACA:acido 9-antracencarbossilico; ODPA:acido ottadecilfosfonico; e DPA:9, 10-difenilantracene.) Sono stati eccitati con un laser a 532 nm a onda continua focalizzata. L'uscita DPA viola in (a) inonda il raggio verde chiaramente visibile in (b), dove non avviene alcuna conversione. Ciò indica il miglioramento della fluorescenza convertita dal ligando 9-ACA. Le fotografie sono state scattate con un iPhone 5 e non sono state modificate in alcun modo. Credito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Nei loro esperimenti, Bardeen e Tang hanno lavorato con nanocristalli semiconduttori di seleniuro di cadmio e seleniuro di piombo. I composti organici usati per preparare gli ibridi erano difenilantracene e rubrene. I nanocristalli di seleniuro di cadmio potrebbero convertire le lunghezze d'onda visibili in fotoni ultravioletti, mentre i nanocristalli di seleniuro di piombo potrebbero convertire i fotoni del vicino infrarosso in fotoni visibili.
Negli esperimenti di laboratorio, i ricercatori hanno diretto la luce infrarossa di 980 nanometri sul materiale ibrido, che ha quindi generato una luce fluorescente arancione/gialla convertita a 550 nanometri, quasi raddoppiando l'energia dei fotoni in arrivo. I ricercatori sono stati in grado di aumentare il processo di conversione fino a tre ordini di grandezza rivestendo i nanocristalli di seleniuro di cadmio con ligandi organici, fornendo un percorso verso maggiori efficienze.
"Questa luce di 550 nanometri può essere assorbita da qualsiasi materiale di celle solari, Bardeen ha detto. "La chiave di questa ricerca è il materiale composito ibrido, che combina nanoparticelle di semiconduttori inorganici con composti organici. I composti organici non possono assorbire nell'infrarosso, ma sono bravi a combinare due fotoni di energia inferiore con un fotone di energia superiore. Utilizzando un materiale ibrido, il componente inorganico assorbe due fotoni e trasmette la loro energia al componente organico per la combinazione. I composti organici producono quindi un fotone ad alta energia. In poche parole, gli inorganici nel materiale composito assorbono la luce; gli organici escono dalla luce."
Oltre all'energia solare, la capacità di convertire due fotoni a bassa energia in un fotone ad alta energia ha potenziali applicazioni nell'imaging biologico, memorizzazione dei dati e diodi organici a emissione di luce. Bardeen ha sottolineato che la ricerca potrebbe avere implicazioni ad ampio raggio.
"La capacità di spostare l'energia luminosa da una lunghezza d'onda all'altra, regione più utile, Per esempio, dal rosso al blu, può avere un impatto su qualsiasi tecnologia che coinvolga i fotoni come input o output, " Egli ha detto.
