Un ricercatore possiede un modulo di perovskite. Credito:Penn State
Con l'aumento della domanda di energia solare in tutto il mondo, gli scienziati stanno lavorando per migliorare le prestazioni dei dispositivi solari, importante se la tecnologia vuole competere con i combustibili tradizionali. Ma i ricercatori devono affrontare limiti teorici sull'efficienza con cui possono produrre celle solari.
Un metodo per spingere l'efficienza oltre questi limiti prevede l'aggiunta di nanoparticelle di conversione ai materiali utilizzati nei dispositivi solari. I materiali di up-conversion consentono alle celle solari di raccogliere energia da uno spettro di luce più ampio del normale. Un team di scienziati che ha testato questo approccio ha scoperto che le nanoparticelle hanno aumentato l'efficienza, ma non per il motivo che si aspettavano. La loro ricerca potrebbe suggerire un nuovo percorso per lo sviluppo di dispositivi solari più efficienti.
"Alcuni ricercatori in letteratura hanno ipotizzato e mostrato risultati che le nanoparticelle di up-conversion forniscono un aumento delle prestazioni", ha affermato Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca e professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Penn State. "Ma questa ricerca mostra che non importa se si inseriscono nanoparticelle di conversione o qualsiasi altra nanoparticella:mostreranno l'efficienza potenziata grazie al miglioramento della dispersione della luce".
L'aggiunta di nanoparticelle è come aggiungere milioni di piccoli specchi all'interno di una cella solare, hanno affermato gli scienziati. La luce che viaggia attraverso il dispositivo colpisce le nanoparticelle e si disperde, potenzialmente colpendo altre nanoparticelle e riflettendosi molte volte all'interno del dispositivo e fornendo un notevole miglioramento della fotocorrente.
Gli scienziati hanno affermato che questo processo di diffusione della luce e non la conversione verso l'alto ha portato a una maggiore efficienza nei dispositivi solari che hanno creato.
"Non importa quali nanoparticelle metti, fintanto che sono nanodimensionate con specifiche proprietà di scattering, porta sempre a un aumento dell'efficienza di alcuni punti percentuali", ha affermato Kai Wang, assistente professore di ricerca presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria, e coautore dello studio. "Penso che la nostra ricerca fornisca una buona spiegazione del motivo per cui questo tipo di struttura composita che assorbe la luce è interessante per la comunità solare."
Le nanoparticelle di up-conversion funzionano assorbendo la luce infrarossa ed emettendo luce visibile che la cella solare può assorbire e convertire in energia aggiuntiva. Quasi la metà dell'energia del sole raggiunge la Terra sotto forma di luce infrarossa, ma la maggior parte delle celle solari non è in grado di raccoglierla. Gli scienziati hanno proposto che sfruttarlo potrebbe spingere l'efficienza delle celle solari oltre il suo limite teorico, il limite Shockley-Queisser (SQ), che è di circa il 30% per le celle solari a giunzione singola alimentate dalla luce solare.
Studi precedenti hanno mostrato un aumento dell'efficienza dall'1% al 2% utilizzando nanoparticelle di conversione. Ma il team ha scoperto che questi materiali hanno fornito solo un piccolissimo impulso ai dispositivi solari di perovskite che hanno creato, hanno affermato gli scienziati.
"Inizialmente ci siamo concentrati sulla conversione della luce infrarossa nello spettro visibile per l'assorbimento e la conversione di energia da parte della perovskite, ma i dati dei nostri colleghi della Penn State hanno indicato che questo non era un processo significativo", ha affermato Jim Piper, coautore e professore emerito alla Macquarie University, Australia. "Successivamente abbiamo fornito nanocristalli non drogati che non consentono la conversione ottica e sono stati altrettanto efficaci nel migliorare l'efficienza di conversione energetica".
Il team ha eseguito calcoli teorici e ha scoperto che l'aumento dell'efficienza derivava invece dalla capacità delle nanoparticelle di migliorare la diffusione della luce.
"Abbiamo praticamente iniziato a giocare con la distribuzione delle nanoparticelle nel modello e abbiamo iniziato a vedere che quando si distribuiscono le particelle lontane l'una dall'altra, si inizia a vedere uno scattering potenziato", ha affermato Thomas Brown, professore associato presso l'Università di Roma. "Poi abbiamo avuto questa svolta."
L'aggiunta delle nanoparticelle ha aumentato l'efficienza delle celle solari di perovskite dell'1% nello studio, gli scienziati hanno riferito sulla rivista ACS Energy Letters . Gli scienziati hanno affermato che la modifica della forma, delle dimensioni e della distribuzione delle nanoparticelle all'interno di questi dispositivi potrebbe produrre una maggiore efficienza.
"Quindi una forma, una distribuzione o una dimensione ottimali possono effettivamente portare a un incantesimo ancora più fotocorrente", ha detto Priya. "Questa potrebbe essere la direzione futura della ricerca basata sulle idee di questa ricerca". + Esplora ulteriormente
