ナノ粒子が光散乱を増加させ、太陽電池の性能を向上させる(Nanoparticles increase light scattering, boost solar cell performance)

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2022-08-02 ペンシルベニア州立大学(PennState)

アップコンバージョン材料は、太陽電池が通常よりも広いスペクトルの光からエネルギーを取り出すことを可能にする。この方法を試した科学者チームは、ナノ粒子が効率を向上させることを発見した。
ナノ粒子を加えることは、太陽電池の中に何百万枚もの小さな鏡を加えるようなものだと、科学者達は言っています。デバイス内を進む光は、ナノ粒子に当たって散乱し、他のナノ粒子に当たってデバイス内で何度も反射し、光電流を顕著に増加させる可能性があります。アップコンバージョンナノ粒子は、赤外光を吸収して、太陽電池が吸収して追加の電力に変換できる可視光を放出することで機能します。太陽からのエネルギーのほぼ半分は赤外線として地球に到達するが、ほとんどの太陽電池はそれを利用することができない。科学者たちは、この赤外線を利用することで、太陽電池の効率を理論上の上限であるショックレー・クイザー(SQ)限界(太陽光を利用する単接合太陽電池では約30%)を超えることができると提案している。

<関連情報>

ナノ結晶を埋め込んだペロブスカイト複合体における光電場の均一化 Homogenization of Optical Field in Nanocrystal-Embedded Perovskite Composites

Yuchen Hou,Jun Zhang, Xianlin Zheng, Yiqing Lu, Alexej Pogrebnyakov, Haodong Wu, Jungjin Yoon, Dong Yang, Luyao Zheng, Venkatraman Gopalan, Thomas M. Brown, James A. Piper, Kai Wang, and Shashank Priya
ACS Energy Letters  Published:April 11, 2022
DOI:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c00608

Abstract

Photonic upconversion of in-band light into shorter-wavelength light has been proposed as a protocol to overcome the Shockley–Queisser (SQ) limit of photovoltaics. Many research contributions have attempted the incorporation of upconversion materials to realize this strategy. However, devising a real device with an efficiency exceeding the SQ limit still remains technically unreachable. To understand this paradoxical question, herein we use a typical upconversion nanoparticle (UCNP) with halide perovskite as a platform to quantify the UC contribution to the efficiency improvement. Our results show that the UC-induced photocurrent gain is negligible; nevertheless, the incorporation of nanomaterials even without UC capability can still enhance the photocurrent, which is related to a redistribution of the optical field and consequently a homogenization of the optical field (HOF). This can lead to a reduced photocarrier loss and provide a noticeable photocurrent enhancement (ca. 7%), which explains the general photocurrent improvement in solar cells with nanomaterials.

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