Het introduceren van lichtconversiematerialen in op silicium gebaseerde fotovoltaïsche apparaten is een effectieve manier om hun foto-elektrische conversie-efficiëntie te verbeteren. Lichte conversiematerialen omvatten kwantumsnijmaterialen en opconversiematerialen.

Het doel van de introductie van kwantumsnijmaterialen is het verdelen van een foton met een korte golflengte in twee of meer fotonen die kunnen deelnemen aan de foto-elektrische conversie in op silicium gebaseerde fotovoltaïsche apparaten. Er worden opconversiematerialen geïntroduceerd om twee of meer infraroodfotonen te combineren tot één foton dat ook kan worden gebruikt voor foto-elektrische conversie in op silicium gebaseerde fotovoltaïsche apparaten.

De introductie van lichtconversiematerialen kan de foto-elektrische conversie-efficiëntie verbeteren zonder de prestaties van op silicium gebaseerde zonnecellen zelf te veranderen. Deze methode kan de technische problemen bij het verbeteren van de efficiëntie van op silicium gebaseerde fotovoltaïsche systemen aanzienlijk verminderen. Bovendien worden op silicium gebaseerde fotovoltaïsche apparaten blootgesteld aan zonlicht, dus hun temperatuur moet worden beheerd. Om deze temperatuur onder controle te houden is het noodzakelijk deze vooraf te meten.

Het is echter mogelijk dat als drie materialen die individueel kwantumsnijden, opconversie en temperatuurmeting kunnen bewerkstelligen tegelijkertijd worden geïntroduceerd in op silicium gebaseerde zonnecellen, dit zal leiden tot problemen bij het ontwerp van de zonnecelstructuur en een onnodige stijging van de productkosten. Daarom is het vinden en ontwikkelen van hoogwaardige materialen die de bovengenoemde drie functies combineren een uitdaging.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications , melden onderzoekers van de School of Science van de Dalian Maritime University dat ze een zeer efficiënte fotosplitsing, bijna pure infrarood-opconversie-emissie en geschikte temperatuurmeting voor thermisch beheer in op silicium gebaseerde zonnecellen hebben bereikt door de dopingconcentraties van Er ^{aan te passen. 3+} en Yb ³⁺ in NaY(WO₄ )₂ fosfor.

Uit het werk blijkt dat dit alles-in-één materiaal een uitstekende kandidaat is voor toepassing in op silicium gebaseerde zonnecellen voor het verbeteren van hun foto-elektrische conversie-efficiëntie en het verbeteren van hun warmtebeheer.

Een diepgaand begrip van het kwantumsnijmechanisme is belangrijk voor het ontwerpen en beoordelen van de kwantumsnijmaterialen. In veel gevallen zijn kwantumsnijprocessen echter ingewikkeld. In dit werk hebben de auteurs zorgvuldig de stappen voor het splitsen van foto's in Er ³⁺ gedecodeerd /Yb ³⁺ co-gedoteerd NaY(WO₄ )₂ ter ondersteuning van de dopingconcentratie-afhankelijke spectroscopie en fluorescentiedynamiek.

Het team stelt:"Gebaseerd op de optische spectroscopische analyses werd het kwantumsnijmechanisme ontdekt, en het fotonsplitsingsproces omvat energieoverdrachtsprocessen in twee stappen, namelijk ⁴ S_3/2 + ² F_7/2 ⁴ Ik_11/2 + ² F_5/2 en ⁴ Ik_11/2 + ² F_7/2 ⁴ Ik_15/2 + ² F_5/2 ."

De kwantumsnij-efficiëntie kan experimenteel en theoretisch worden bevestigd. In het ideale geval wordt de gemeten kwantumsnij-efficiëntie ook gedefinieerd als de interne kwantumefficiëntie, maar deze wijkt af van de traditionele definitie van interne kwantumefficiëntie. De meettechniek voor de kwantumefficiënties is nog steeds niet bevredigend, omdat de meetresultaten gecompliceerd worden door te veel oncontroleerbare factoren.

Daarom wordt de theoretische interne kwantumsnij-efficiëntie significant. De auteurs beweren:"Het kwantumsnijmechanisme werd ontdekt door optische spectroscopische analyses, en de kwantumsnij-efficiënties werden berekend ter ondersteuning van de Judd-Ofelt-theorie, de Föster-Dexter-theorie en de wet op de energiekloof." De auteurs schatten de interne kwantumsnij-efficiëntie voor NaY(WO₄ )₂ :Er ³⁺ /Yb ³⁺ door rekening te houden met stralingstransities, niet-stralingstransities en energieoverdrachten, en een efficiëntie van wel 173% te bereiken.

Een ander belangrijk punt van dit werk is dat de onderzoekers een bijna zuivere nabij-infrarode emissie van Yb ³⁺ bereikten .

Het team merkt op:"Deze opconversiemechanismen vertellen ons dat zowel Er ³⁺ en Er ³⁺ /Yb ³⁺ gedoteerd NaY(WO₄ )₂ fosforen vertonen sterke nabij-infrarode emissies van ⁴ Ik_11/2 ⁴ Ik_15/2 van Er ³⁺ en ² F_5/2 ² F_7/2 van Yb ³⁺ dat geeft aan dat de bestudeerde fosforen goede lichtconversiekandidaten zijn voor op silicium gebaseerde zonneceltoepassingen."

Meer informatie: Duan Gao et al., Nabij-infraroodemissies van zowel hoogefficiënt kwantumsnijden (173%) als opconversie van bijna pure kleuren in NaY(WO4)2:Er3+/Yb3+ met thermische beheermogelijkheden voor op silicium gebaseerde zonnecellen, Licht :Wetenschap &Toepassingen (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01365-2

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen