De zon is onze meest veelbelovende bron van schone en hernieuwbare energie. De energie die de aarde in een uur van de zon bereikt, is bijna gelijk aan de energie die de mens gedurende een jaar verbruikt. Zonnecellen kunnen deze enorme energiebron aanboren door licht om te zetten in elektrische stroom. Echter, deze apparaten vereisen nog steeds aanzienlijke efficiëntieverbeteringen voordat ze kunnen concurreren met meer traditionele energiebronnen.

Xiaogang Liu, Alfred Ling Yoong Tok en hun medewerkers van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, de Nationale Universiteit van Singapore en de Nanyang Technologische Universiteit, Singapore, hebben nu een methode ontwikkeld om nanostructuren te gebruiken om de fractie van binnenkomend licht die wordt geabsorbeerd door een licht-oogstend materiaal te vergroten. De methode is ideaal voor gebruik met hoogrenderende zonnecellen.

Zonnecellen absorberen pakketten optische energie, fotonen genaamd, en gebruiken de fotonen vervolgens om elektronen te genereren. De energie van sommige fotonen van de zon, echter, is te klein om op deze manier elektronen te maken en gaat dus verloren. Liu, Tok en hun collega's hebben dit verlies omzeild met een effect dat bekend staat als upconversion. In dit proces, twee laag-energetische fotonen worden gecombineerd om een ​​enkel hoog-energetisch foton te produceren. Dit energetische foton kan vervolgens worden geabsorbeerd door het actieve gebied van de zonnecel.

Het apparaat van de onderzoekers bestond uit een frame van titaniumoxide gevuld met een regelmatige opstelling van luchtporiën van ongeveer een halve micrometer breed - een structuur die een inverse opaal wordt genoemd (zie afbeelding). Bollen van het upconversiemateriaal, die 30 nanometer in diameter waren, zat op het oppervlak van deze poriën. Kleine lichtgevoelige kwantumdots gemaakt van kristallen van cadmiumselenide bedekten deze nanobolletjes.

De kwantumstippen absorbeerden efficiënt binnenkomend licht, ofwel rechtstreeks van een externe bron of van niet-omgezette fotonen uit de nanosferen, en zet het om in elektronen. Deze lading stroomde vervolgens in het frame van titaniumoxide. "Het inverse opaal van titaniumoxide creëert een continu elektronengeleidend pad en biedt een groot grensvlakoppervlak om de opconversie-nanodeeltjes en de kwantumstippen te ondersteunen, " legt Liu uit.

Liu, Tok en het team testten het apparaat door er laserlicht op af te vuren met een golflengte van 980 nanometer, die normaal niet wordt geabsorbeerd door cadmiumselenide kwantumstippen. Zoals verwacht, ze waren in staat om een ​​veel hogere elektrische stroom te meten dan hetzelfde experiment dat werd uitgevoerd met een apparaat zonder de opconversie-nanobolletjes. "Wij zijn van mening dat de verbeterde energieoverdracht en het oogsten van licht een zeer concurrentievoordeel kunnen opleveren ten opzichte van conventionele siliciumzonnecellen, ' zegt Liu.