Les nanoparticules augmentent la diffusion de la lumière et augmentent les performances des cellules solaires


Les nanoparticules augmentent la diffusion de la lumière et augmentent les performances des cellules solaires

Un chercheur détient un module pérovskite. Crédit photo : Penn State

Alors que la demande d’énergie solaire augmente dans le monde entier, les scientifiques s’efforcent d’améliorer les des appareils , ce qui est important si la technologie doit concurrencer les carburants traditionnels. Mais les chercheurs atteignent les limites théoriques de l’efficacité avec laquelle ils peuvent produire des solaires.

Une méthode pour augmenter l’efficacité au-delà de ces limites consiste à ajouter des de conversion ascendante aux matériaux utilisés dans les dispositifs solaires. Les matériaux de conversion ascendante permettent aux cellules solaires de récolter l’énergie d’un spectre de lumière plus large que ce qui est normalement possible. Une équipe de scientifiques testant cette approche a que les nanoparticules augmentaient l’efficacité, mais pas pour la raison attendue. Leurs recherches pourraient ouvrir une nouvelle voie pour développer des dispositifs solaires plus efficaces.

« Certains chercheurs dans la littérature ont émis l’hypothèse et montré des résultats selon lesquels les nanoparticules de conversion ascendante produisent une augmentation des performances », a déclaré Shashank Priya, vice-président associé à la recherche et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à Penn State. « Mais cette recherche montre que peu importe que vous utilisiez des nanoparticules à conversion ascendante ou d’autres nanoparticules – elles montrent l’efficacité accrue due à une meilleure diffusion de la lumière. »

L’ajout de nanoparticules revient à ajouter des millions de minuscules miroirs dans une cellule solaire, ont déclaré les scientifiques. La lumière traversant l’appareil frappe les nanoparticules et se disperse, frappant éventuellement d’autres nanoparticules et se reflétant plusieurs fois dans l’appareil, offrant une amélioration notable du photocourant.

Les scientifiques ont déclaré que c’était ce processus de diffusion de la lumière, plutôt que la conversion ascendante, qui avait conduit à une efficacité accrue des dispositifs solaires qu’ils avaient développés.

« Peu importe les nanoparticules que vous mettez, tant qu’elles sont de taille nanométrique avec des propriétés de diffusion spécifiques, cela entraîne toujours une augmentation de l’efficacité de quelques points de pourcentage », a déclaré Kai Wang, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux. et co-auteur de l’étude. « Je pense que nos recherches expliquent bien pourquoi ce type de structure composite absorbant la lumière intéresse la communauté solaire. »

Les nanoparticules de conversion ascendante fonctionnent en absorbant la lumière infrarouge et en émettant de la lumière que la cellule solaire peut absorber et convertir en énergie supplémentaire. Près de la moitié de l’énergie du soleil atteint la terre sous forme de lumière infrarouge, mais la plupart des cellules solaires ne peuvent pas la récolter. Les scientifiques ont suggéré que l’efficacité des cellules solaires pourrait être augmentée au-delà de sa limite supérieure théorique, la limite de Shockley-Queisser (SQ), qui est d’environ 30 % pour les cellules solaires à simple jonction alimentées par la lumière du soleil.

Des études antérieures ont montré une augmentation de l’efficacité de 1% à 2% en utilisant des nanoparticules de conversion ascendante. Cependant, l’équipe a découvert que ces matériaux apportaient très peu d’impulsion aux dispositifs solaires à pérovskite qu’ils fabriquaient, ont déclaré les scientifiques.

« Nous nous sommes initialement concentrés sur la conversion de la lumière infrarouge en spectre visible pour l’absorption et la conversion d’énergie par la pérovskite, mais les données de nos collègues de Penn State ont montré que ce n’était pas un processus significatif », a déclaré Jim Piper, co-auteur et professeur émérite à la Université Macquarie, Australie. « Nous avons ensuite fourni des nanocristaux non dopés qui ne provoquent pas de conversion optique ascendante et qui étaient tout aussi efficaces pour améliorer l’efficacité de la conversion de puissance. »

L’équipe a effectué des calculs théoriques et a découvert que l’augmentation de l’efficacité était plutôt due à la capacité des nanoparticules à améliorer la diffusion de la lumière.

« Nous avons commencé à jouer avec la distribution des nanoparticules dans le modèle, et nous avons commencé à voir que si vous écartez les particules, vous commencez à voir une diffusion accrue », a déclaré Thomas Brown, professeur agrégé à l’université de Rome. « Ensuite, nous avons eu cette percée. »

L’ajout des nanoparticules a augmenté de 1 % l’efficacité des cellules solaires à pérovskite dans l’étude, ont rapporté les scientifiques dans la revue Lettres énergétiques ACS. Les scientifiques ont déclaré que la modification de la forme, de la taille et de la distribution des nanoparticules dans ces dispositifs pourrait conduire à des rendements plus élevés.

« Ainsi, une forme, une distribution ou une taille optimale peut en fait conduire à encore plus d’enchantement photocourant », a déclaré Priya. « Cela pourrait être l’orientation future de la recherche basée sur les idées de cette recherche. »


Améliorer l’efficacité solaire grâce à la conversion ascendante


Plus d’information:
Yuchen Hou et al, Homogénéisation du champ optique dans les composites de pérovskite à nanocristaux, Lettres énergétiques ACS (2022). DOI : 10.1021/acsenergylett.2c00608

Fourni par l’Université d’État de Pennsylvanie

Citation: Les nanoparticules augmentent la diffusion de la lumière, améliorent les performances des cellules solaires (2022, 3 août), récupéré le 3 août 2022 sur https://phys.org/news/2022-08-nanoparticles-boost-solar-cell.html

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