Die Einführung von Lichtumwandlungsmaterialien in Photovoltaikgeräte auf Siliziumbasis ist eine wirksame Möglichkeit, deren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Zu den Lichtumwandlungsmaterialien gehören Quantenschneidmaterialien und Aufwärtskonversionsmaterialien.
Der Zweck der Einführung von Quantenschneidmaterialien besteht darin, ein kurzwelliges Photon in zwei oder mehr Photonen aufzuteilen, die an der photoelektrischen Umwandlung in siliziumbasierten Photovoltaikgeräten teilnehmen können. Durch die Einführung von Upconversion-Materialien werden zwei oder mehr Infrarotphotonen zu einem Photon kombiniert, das auch für die photoelektrische Umwandlung in siliziumbasierten Photovoltaikgeräten verwendet werden kann.
Die Einführung von Lichtumwandlungsmaterialien kann die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung verbessern, ohne die Leistung von Solarzellen auf Siliziumbasis selbst zu verändern. Diese Methode kann die technischen Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Effizienz siliziumbasierter Photovoltaiksysteme erheblich reduzieren. Darüber hinaus sind siliziumbasierte Photovoltaikgeräte dem Sonnenlicht ausgesetzt, sodass ihre Temperatur kontrolliert werden muss. Um diese Temperatur zu verwalten, muss sie im Voraus gemessen werden.
Es ist jedoch möglich, dass die gleichzeitige Einführung von drei Materialien, die einzeln Quantenschneiden, Aufwärtskonvertierung und Temperaturmessung ermöglichen, in Solarzellen auf Siliziumbasis eingeführt wird, was zu Schwierigkeiten beim Design der Solarzellenstruktur und einer unnötigen Erhöhung der Produktkosten führt. Daher ist es eine Herausforderung, Hochleistungsmaterialien zu finden und zu entwickeln, die die oben genannten drei Funktionen vereinen.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und AnwendungenForscher der School of Science der Dalian Maritime University berichten, dass sie durch die Anpassung der Dotierungskonzentrationen von Er3+ und Yb3+ in Solarzellen eine hocheffiziente Photoaufspaltung, eine nahezu reine Infrarot-Upconversion-Emission und eine geeignete Temperaturmessung für das Wärmemanagement in Silizium-basierten Solarzellen erreicht haben NaY(WO4)2-Leuchtstoff.
Die Arbeit zeigt, dass dieses All-in-One-Material ein hervorragender Kandidat für die Anwendung in Solarzellen auf Siliziumbasis ist, um deren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern und ihr Wärmemanagement zu verbessern.
Ein tiefgreifendes Verständnis des Quantenschneidmechanismus ist für die Entwicklung und Bewertung der Quantenschneidmaterialien von entscheidender Bedeutung. Allerdings sind Quantenschneidprozesse in vielen Fällen kompliziert. In dieser Arbeit haben die Autoren sorgfältig die Photospaltungsschritte in Er3+/Yb3+ co-dotiertem NaY(WO4)2 entschlüsselt, um die dotierkonzentrationsabhängige Spektroskopie und Fluoreszenzdynamik zu unterstützen.
Das Team erklärt: „Basierend auf den optischen spektroskopischen Analysen wurde der Quantenschneidemechanismus entdeckt, und der Photonenspaltungsprozess umfasst zweistufige Energieübertragungsprozesse, nämlich 4S3/2+2F7/2 4I11/2 +2F5/2 und 4I11.“ /2 + 2F7/2 4I15/2 + 2F5/2.“
Die Effizienz des Quantenschneidens kann experimentell und theoretisch bestätigt werden. Im Idealfall wird die gemessene Quantenschneideeffizienz auch als interne Quanteneffizienz definiert, sie unterscheidet sich jedoch von der herkömmlichen Definition der internen Quanteneffizienz. Die Messtechnik für die Quanteneffizienzen ist noch immer nicht zufriedenstellend, da die Messergebnisse durch zu viele unkontrollierbare Faktoren erschwert werden.
Daher wird die theoretische interne Quantenschneideeffizienz von Bedeutung. Die Autoren behaupten: „Der Quantenschneidemechanismus wurde durch optische spektroskopische Analysen entdeckt und die Quantenschneideeffizienzen wurden mithilfe der Judd-Ofelt-Theorie, der Föster-Dexter-Theorie und dem Energielückengesetz berechnet.“ Die Autoren schätzten die internen Quantenschneideeffizienzen für NaY(WO4)2: Er3+/Yb3+ unter Berücksichtigung von Strahlungsübergängen, nichtstrahlenden Übergängen und Energieübertragungen und erreichten eine Effizienz von bis zu 173 %.
Ein weiterer wichtiger Punkt dieser Arbeit ist, dass die Forscher eine nahezu reine Nahinfrarot-Emission von Yb3+ erreichten.
Das Team stellt fest: „Diese Aufwärtskonversionsmechanismen zeigen uns, dass sowohl Er3+- als auch Er3+/Yb3+-dotierte NaY(WO4)2-Leuchtstoffe starke Emissionen im nahen Infrarot von 4I11/24I15/2 von Er3+ und 2F5/22F7/2 von Yb3+ aufweisen, was auf das untersuchte hinweist.“ Leuchtstoffe sind gute Kandidaten für die Lichtumwandlung[s] für siliziumbasierte Solarzellenanwendungen.“
Mehr Informationen:
Duan Gao et al., Nahinfrarotemissionen sowohl aus hocheffizientem Quantenschneiden (173 %) als auch aus nahezu reiner Farbaufkonvertierung in NaY(WO4)2:Er3+/Yb3+ mit Wärmemanagementfähigkeit für siliziumbasierte Solarzellen, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-023-01365-2