A medida que aumenta la demanda de energía solar en todo el mundo, los científicos están trabajando para mejorar el rendimiento de los dispositivos solares, lo cual es importante si se quiere que la tecnología compita con los combustibles tradicionales. Pero los investigadores enfrentan límites teóricos sobre cuán eficientes pueden ser las células solares.

Un método para impulsar la eficiencia más allá de esos límites consiste en agregar nanopartículas de conversión ascendente a los materiales utilizados en los dispositivos solares. Los materiales de conversión ascendente permiten que las células solares recolecten energía de un espectro de luz más amplio de lo que normalmente es posible. Un equipo de científicos que probó este enfoque encontró que las nanopartículas aumentaron la eficiencia, pero no por la razón que esperaban. Su investigación puede sugerir un nuevo camino a seguir para desarrollar dispositivos solares más eficientes.

"Algunos investigadores en la literatura han planteado la hipótesis y han mostrado resultados de que las nanopartículas de conversión ascendente proporcionan un impulso en el rendimiento", dijo Shashank Priya, vicepresidente asociado de investigación y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Pero esta investigación muestra que no importa si colocas nanopartículas de conversión ascendente o cualquier otra nanopartícula:mostrarán una mayor eficiencia debido a la mejora de la dispersión de la luz".

Agregar nanopartículas es como agregar millones de pequeños espejos dentro de una celda solar, dijeron los científicos. La luz que viaja a través del dispositivo golpea las nanopartículas y se dispersa, golpeando potencialmente otras nanopartículas y reflejándose muchas veces dentro del dispositivo y proporcionando una mejora notable de la fotocorriente.

Los científicos dijeron que este proceso de dispersión de la luz y no la conversión ascendente condujo a una mayor eficiencia en los dispositivos solares que crearon.

"No importa qué nanopartículas coloques, siempre que sean de tamaño nanométrico con propiedades de dispersión específicas, siempre conduce a un aumento en la eficiencia en unos pocos puntos porcentuales", dijo Kai Wang, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia de los Materiales y Engineering, y coautor del estudio. "Creo que nuestra investigación proporciona una buena explicación de por qué este tipo de estructura de absorción de luz compuesta es interesante para la comunidad solar".

Las nanopartículas de conversión ascendente funcionan absorbiendo luz infrarroja y emitiendo luz visible que la célula solar puede absorber y convertir en energía adicional. Casi la mitad de la energía del sol llega a la Tierra en forma de luz infrarroja, pero la mayoría de las células solares no pueden recolectarla. Los científicos han propuesto que aprovechar esto podría impulsar la eficiencia de las células solares más allá de su techo teórico, el límite de Shockley-Queisser (SQ), que es de alrededor del 30 % para las células solares de unión única alimentadas por luz solar.

Estudios previos han mostrado un aumento de 1% a 2% en la eficiencia usando nanopartículas de conversión ascendente. Pero el equipo descubrió que estos materiales proporcionaron solo un impulso muy pequeño en los dispositivos solares de perovskita que crearon, dijeron los científicos.

"Nos enfocamos inicialmente en convertir la luz infrarroja al espectro visible para la absorción y conversión de energía por perovskita, pero los datos de nuestros colegas de Penn State indicaron que este no fue un proceso significativo", dijo Jim Piper, coautor y profesor emérito. en la Universidad de Macquarie, Australia. "Posteriormente, proporcionamos nanocristales no dopados que no brindan una conversión ascendente óptica y fueron igual de efectivos para mejorar la eficiencia de conversión de energía".

El equipo realizó cálculos teóricos y descubrió que el aumento de la eficiencia se debió a la capacidad de las nanopartículas para mejorar la dispersión de la luz.

"Básicamente, comenzamos a jugar con la distribución de nanopartículas en el modelo, y comenzamos a ver que a medida que distribuyes las partículas lejos unas de otras, comienzas a ver una dispersión mejorada", dijo Thomas Brown, profesor asociado de la Universidad de Roma. "Entonces tuvimos este gran avance".

Agregar las nanopartículas aumentó la eficiencia de las células solares de perovskita en un 1 % en el estudio, informaron los científicos en la revista ACS Energy Letters. . Los científicos dijeron que cambiar la forma, el tamaño y la distribución de las nanopartículas dentro de estos dispositivos podría generar una mayor eficiencia.

"Entonces, una forma, distribución o tamaño óptimos pueden conducir a un encantamiento de fotocorriente aún mayor", dijo Priya. "Esa podría ser la futura dirección de la investigación basada en las ideas de esta investigación". + Explora más

Mejora de la eficiencia solar con conversión ascendente