Alors que la demande d'énergie solaire augmente dans le monde entier, les scientifiques s'efforcent d'améliorer les performances des appareils solaires, ce qui est important si la technologie doit concurrencer les carburants traditionnels. Mais les chercheurs sont confrontés à des limites théoriques quant à l'efficacité avec laquelle ils peuvent fabriquer des cellules solaires.

Une méthode pour pousser l'efficacité au-delà de ces limites consiste à ajouter des nanoparticules 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 découvert que les nanoparticules augmentaient l'efficacité, mais pas pour la raison à laquelle elles s'attendaient. Leurs recherches pourraient suggérer une nouvelle voie pour développer des dispositifs solaires plus efficaces.

"Certains chercheurs de la littérature ont émis l'hypothèse et montré des résultats selon lesquels les nanoparticules de conversion ascendante améliorent les 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 si vous mettez des nanoparticules de conversion ascendante ou toute autre nanoparticule, elles montreront une efficacité accrue en raison de l'amélioration de la diffusion de la lumière."

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

Les scientifiques ont déclaré que ce processus de diffusion de la lumière et non la conversion ascendante a conduit à une efficacité accrue des appareils solaires qu'ils ont créés.

"Peu importe les nanoparticules que vous mettez, tant qu'elles sont de taille nanométrique avec des propriétés de diffusion spécifiques, cela conduit toujours à une augmentation de l'efficacité de quelques points de pourcentage", a déclaré Kai Wang, professeur de recherche adjoint au Département de science des matériaux et Ingénierie, et co-auteur de l'étude. "Je pense que nos recherches fournissent une bonne explication sur les raisons pour lesquelles ce type de structure composite absorbant la lumière est intéressant pour la communauté solaire."

Les nanoparticules de conversion ascendante fonctionnent en absorbant la lumière infrarouge et en émettant de la lumière visible 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 sont incapables de la récolter. Les scientifiques ont proposé que l'exploitation de cela pourrait pousser l'efficacité des cellules solaires au-delà de son plafond théorique, la limite de Shockley-Queisser (SQ), qui est d'environ 30 % pour les cellules solaires à jonction unique alimentées par la lumière du soleil.

Des études antérieures ont montré une augmentation de 1 à 2 % de l'efficacité en utilisant des nanoparticules de conversion ascendante. Mais l'équipe a découvert que ces matériaux n'apportaient qu'un très petit coup de pouce aux dispositifs solaires à pérovskite qu'ils avaient créés, ont déclaré les scientifiques.

"Nous nous sommes initialement concentrés sur la conversion ascendante 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 indiqué que ce n'était pas un processus significatif", a déclaré Jim Piper, co-auteur et professeur émérite. à l'Université Macquarie, Australie. "Par la suite, nous avons fourni des nanocristaux non dopés qui ne donnent pas de conversion optique ascendante et ils étaient tout aussi efficaces pour améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie."

L'équipe a effectué des calculs théoriques et a constaté que l'augmentation de l'efficacité résultait plutôt de 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 lorsque vous distribuez les particules loin les unes des autres, vous commencez à voir une diffusion améliorée", a déclaré Thomas Brown, professeur agrégé à l'Université de Rome. "Puis nous avons eu cette percée."

L'ajout de nanoparticules a augmenté l'efficacité des cellules solaires à pérovskite de 1 % dans l'étude, ont rapporté les scientifiques dans la revue ACS Energy Letters . Les scientifiques ont déclaré que la modification de la forme, de la taille et de la distribution des nanoparticules dans ces appareils pourrait améliorer l'efficacité.

"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." + Explorer plus loin

Améliorer l'efficacité solaire grâce à la conversion ascendante