Fotografías de conversión ascendente en una cubeta que contiene una mezcla de seleniuro de cadmio / rubreno. La mancha amarilla es la emisión del rubrene que se origina en (a) un láser de onda continua desenfocada de 800 nm con una intensidad de 300 W / cm2. (b) un láser enfocado de onda continua de 980 nm con una intensidad de 2000 W / cm2. Las fotografías, tomado con un iPhone 5, no se modificaron de ninguna manera. Crédito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
Cuando se trata de instalar células solares, el costo de la mano de obra y el costo de la tierra para albergarlos constituyen la mayor parte del gasto. Las células solares, hechas a menudo de telururo de silicio o cadmio, rara vez cuestan más del 20 por ciento del costo total. La energía solar podría abaratarse si se tuviera que comprar menos terreno para acomodar paneles solares, se lograría mejor si se pudiera convencer a cada célula solar para que generara más energía.
Un equipo de químicos de la Universidad de California ha logrado un gran avance en esta dirección. Riverside que ha encontrado una manera ingeniosa de hacer más eficiente la conversión de energía solar. Los investigadores informan en Nano letras que al combinar nanocristales semiconductores inorgánicos con moléculas orgánicas, han tenido éxito en la "conversión ascendente" de fotones en las regiones visible e infrarroja cercana del espectro solar.
"La región infrarroja del espectro solar atraviesa los materiales fotovoltaicos que componen las células solares actuales, "explicó Christopher Bardeen, profesor de química. La investigación fue un esfuerzo de colaboración entre él y Ming Lee Tang, un profesor asistente de química. "Esto es energía perdida, no importa lo buena que sea su celda solar. El material híbrido que hemos creado primero captura dos fotones infrarrojos que normalmente pasarían a través de una célula solar sin convertirse en electricidad. luego suma sus energías para formar un fotón de mayor energía. Este fotón de conversión ascendente es absorbido fácilmente por las células fotovoltaicas, generando electricidad a partir de la luz que normalmente se desperdiciaría ".
Bardeen agregó que estos materiales están esencialmente "remodelando el espectro solar" para que coincida mejor con los materiales fotovoltaicos que se utilizan hoy en día en las células solares. La capacidad de utilizar la porción infrarroja del espectro solar podría aumentar la eficiencia de la energía solar fotovoltaica en un 30 por ciento o más.
Fotografías de conversión ascendente en una cubeta que contiene (a) un seleniuro de cadmio optimizado / 9-ACA / DPA y (b) una mezcla de seleniuro de cadmio / ODPA / DPA. (9-ACA:ácido 9-antracenocarboxílico; ODPA:ácido octadecilfosfónico; y DPA:9, 10-difenilantraceno.) Se excitaron con un láser de onda continua enfocada de 532 nm. La salida violeta de DPA en (a) inunda el rayo verde que se ve claramente en (b), donde no se lleva a cabo ninguna conversión ascendente. Esto indica el aumento de la fluorescencia convertida por el ligando 9-ACA. Las fotografías fueron tomadas con un iPhone 5 y no se modificaron de ninguna manera. Crédito:Zhiyuan Huang, UC Riverside.
En sus experimentos, Bardeen y Tang trabajaron con nanocristales semiconductores de seleniuro de cadmio y seleniuro de plomo. Los compuestos orgánicos que utilizaron para preparar los híbridos fueron difenilantraceno y rubreno. Los nanocristales de seleniuro de cadmio podrían convertir longitudes de onda visibles en fotones ultravioleta, mientras que los nanocristales de seleniuro de plomo podrían convertir fotones del infrarrojo cercano en fotones visibles.
En experimentos de laboratorio, los investigadores dirigieron luz infrarroja de 980 nanómetros al material híbrido, que luego generó luz fluorescente de 550 nanómetros naranja / amarilla convertida hacia arriba, casi duplicando la energía de los fotones entrantes. Los investigadores pudieron impulsar el proceso de conversión ascendente hasta en tres órdenes de magnitud al recubrir los nanocristales de seleniuro de cadmio con ligandos orgánicos. proporcionando una ruta hacia mayores eficiencias.
"Esta luz de 550 nanómetros puede ser absorbida por cualquier material de célula solar, "Dijo Bardeen." La clave de esta investigación es el material compuesto híbrido, que combina nanopartículas semiconductoras inorgánicas con compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos no pueden absorberse en el infrarrojo, pero son buenos para combinar dos fotones de menor energía con un fotón de mayor energía. Al utilizar un material híbrido, el componente inorgánico absorbe dos fotones y pasa su energía al componente orgánico para su combinación. Los compuestos orgánicos luego producen un fotón de alta energía. En pocas palabras, los inorgánicos del material compuesto absorben la luz; los orgánicos se apagan ".
Además de la energía solar, la capacidad de convertir dos fotones de baja energía en un fotón de alta energía tiene aplicaciones potenciales en la obtención de imágenes biológicas, almacenamiento de datos y diodos emisores de luz orgánicos. Bardeen enfatizó que la investigación podría tener implicaciones de amplio alcance.
"La capacidad de mover la energía luminosa de una longitud de onda a otra, región más útil, por ejemplo, de rojo a azul, puede impactar cualquier tecnología que involucre fotones como entradas o salidas, " él dijo.
