Solceller som ser rött

Forskare vid Stanford University har visat en uppsättning material som skulle kunna göra det möjligt för solceller att använda ett band av solspektrumet som annars går till spillo. Materialen på baksidan av solceller skulle omvandla rött och nära-infrarött ljus – oanvändbart av dagens solceller – till ljus med kortare våglängd som cellerna kan omvandla till energi. Universitetsforskarna kommer att samarbeta med Bosch Research and Technology Center i Palo Alto, Kalifornien, för att demonstrera ett system för fungerande solceller under de kommande fyra åren.

Lampknapp: I en process som skulle kunna göra solceller mer effektiva omvandlas grönt laserljus upp till blått ljus genom en lösning av färgämnen och metallnanopartiklar.

Även de bästa av dagens kiselsolceller kan inte använda cirka 30 procent av ljuset från solen: det beror på att de aktiva materialen i solceller inte kan interagera med fotoner vars energi är för låg. Men även om var och en av dessa individuella fotoner har låg energi, representerar de som helhet en stor mängd outnyttjad solenergi som kan göra solceller mer kostnadskonkurrenskraftiga.

Processen, som kallas uppkonvertering, bygger på par av färgämnen som absorberar fotoner med en given våglängd och återutsänder dem som färre fotoner med kortare våglängd. I det här fallet kommer forskarna från Bosch och Stanford att arbeta med system som omvandlar nära-infraröda våglängder (varav de flesta är oanvändbara av dagens solceller). Ledaren för Stanford-gruppen, biträdande professor Jennifer Dionne, tror att gruppen kan förbättra omvandlingseffektiviteten för solljus-till-elektricitet för solceller av amorft kisel från 11 procent till 15 procent.

Konceptet med uppkonvertering är inte nytt, men det har aldrig visats i en fungerande solcell, säger Inna Kozinsky, senior ingenjör på Bosch. Uppkonvertering kräver vanligtvis två typer av molekyler för att absorbera fotoner med relativt hög våglängd, kombinera sin energi och återutsända den som fotoner med högre energi och lägre våglängd. Men chansen att molekylerna möter varandra vid rätt tidpunkt när de är i rätt energitillstånd är låga. Dionne utvecklar nanopartiklar för att lägga till dessa system för att öka dessa chanser. För att göra bättre uppkonverteringssystem designar Dionne metallnanopartiklar som fungerar som små optiska antenner, som riktar ljus i dessa färgämnessystem på ett sådant sätt att färgämnena exponeras för mer ljus vid rätt tidpunkt, vilket skapar mer uppkonverterat ljus, och riktar sedan mer av det uppkonverterade ljuset ut ur systemet till slut.

Den ultimata visionen, säger Dionne, är att skapa en solid. Skivor av ett sådant material kan läggas på botten av cellen, separerade från själva cellen med ett elektriskt isolerande skikt. Lågvåglängdsfotoner som passerar genom det aktiva skiktet skulle absorberas av uppkonverteringsskiktet och sedan återutsändas tillbaka till det aktiva skiktet som användbart ljus med högre våglängd.

Kozinsky säger att Boschs mål är att demonstrera uppkonvertering av rött ljus i fungerande solceller om tre år och uppkonvertering av infrarött ljus om fyra år. Med tanke på den tid som behövs för att skala upp till tillverkning, säger hon, kan tekniken finnas i Boschs kommersiella solceller om sju till tio år.

Dölj