L’introduction de matériaux de conversion de lumière dans les dispositifs photovoltaïques à base de silicium constitue un moyen efficace d’améliorer leur efficacité de conversion photoélectrique. Les matériaux de conversion de lumière comprennent les matériaux de coupe quantique et les matériaux de conversion ascendante.
L’objectif de l’introduction de matériaux de découpe quantique est de diviser un photon de courte longueur d’onde en deux ou plusieurs photons pouvant participer à la conversion photoélectrique dans les dispositifs photovoltaïques à base de silicium. L’introduction de matériaux de conversion ascendante vise à combiner deux photons infrarouges ou plus en un seul photon qui peut également être utilisé pour la conversion photoélectrique dans les dispositifs photovoltaïques à base de silicium.
L’introduction de matériaux de conversion de lumière peut améliorer l’efficacité de la conversion photoélectrique sans modifier les performances des cellules solaires à base de silicium elles-mêmes. Cette méthode peut réduire considérablement la difficulté technique liée à l’amélioration de l’efficacité des systèmes photovoltaïques à base de silicium. De plus, les dispositifs photovoltaïques à base de silicium sont exposés au soleil, leur température doit donc être maîtrisée. La gestion de cette température nécessite de la mesurer au préalable.
Cependant, il est possible que si trois matériaux capables individuellement de réaliser une découpe quantique, une conversion ascendante et une détection de température sont introduits simultanément dans des cellules solaires à base de silicium, cela entraînera des difficultés dans la conception de la structure des cellules solaires et une augmentation inutile des coûts des produits. Par conséquent, trouver et développer des matériaux hautes performances combinant les trois fonctions ci-dessus constitue un défi.
Dans un nouveau journal publié dans Lumière : science et applicationsdes chercheurs de l’École des sciences de l’Université maritime de Dalian rapportent qu’ils ont obtenu une division photo très efficace, une émission de conversion ascendante infrarouge presque pure et une détection de température appropriée pour la gestion thermique dans les cellules solaires à base de silicium en ajustant les concentrations de dopage d’Er3+ et Yb3+ dans NaY(WO4)2 phosphore.
Les travaux révèlent que ce matériau tout-en-un est un excellent candidat pour une application dans les cellules solaires à base de silicium pour améliorer leur efficacité de conversion photoélectrique et améliorer leur gestion thermique.
Une compréhension approfondie du mécanisme de découpe quantique est importante pour la conception et l’évaluation des matériaux de découpe quantique. Cependant, dans de nombreux cas, les processus de découpe quantique sont compliqués. Dans ce travail, les auteurs ont soigneusement décrypté les étapes de photo-séparation dans NaY(WO4)2 co-dopé Er3+/Yb3+ pour faciliter la spectroscopie et la dynamique de fluorescence dépendantes de la concentration de dopage.
L’équipe déclare : « Sur la base des analyses spectroscopiques optiques, le mécanisme de coupe quantique a été découvert et le processus de division des photons comprend des processus de transfert d’énergie en deux étapes, à savoir 4S3/2+2F7/2 4I11/2 +2F5/2 et 4I11. /2 + 2F7/2 4I15/2 + 2F5/2. »
L’efficacité de la coupe quantique peut être confirmée expérimentalement et théoriquement. Dans le cas idéal, l’efficacité quantique mesurée est également définie comme l’efficacité quantique interne, mais elle est différente de la définition traditionnelle de l’efficacité quantique interne. La technique de mesure des rendements quantiques n’est toujours pas satisfaisante car les résultats de mesure sont compliqués par trop de facteurs incontrôlables.
Par conséquent, l’efficacité théorique de la coupe quantique interne devient significative. Les auteurs affirment: « Le mécanisme de coupe quantique a été découvert par les analyses spectroscopiques optiques, et les efficacités de coupe quantique ont été calculées à l’aide de la théorie de Judd-Ofelt, de la théorie de Föster-Dexter et de la loi de l’écart énergétique. » Les auteurs ont estimé les efficacités de coupe quantique interne pour NaY(WO4)2 : Er3+/Yb3+ en prenant en compte les transitions radiatives, les transitions non radiatives et les transferts d’énergie, et ont atteint une efficacité pouvant atteindre 173 %.
Un autre point important de ce travail est que les chercheurs ont obtenu une émission presque pure de Yb3+ dans le proche infrarouge.
L’équipe observe : « Ces mécanismes de conversion ascendante nous indiquent que les luminophores NaY(WO4)2 dopés par Er3+ et Er3+/Yb3+ présentent de fortes émissions proche infrarouge de 4I11/24I15/2 d’Er3+ et 2F5/22F7/2 de Yb3+, ce qui indique l’étude étudiée. les phosphores sont de bons candidats à la conversion de la lumière[s] pour les applications de cellules solaires à base de silicium.
Plus d’information:
Duan Gao et al, Émissions proche infrarouge provenant à la fois d’une découpe quantique à haut rendement (173 %) et d’une conversion ascendante de couleur presque pure dans NaY(WO4)2:Er3+/Yb3+ avec capacité de gestion thermique pour les cellules solaires à base de silicium, Lumière : science et applications (2024). DOI : 10.1038/s41377-023-01365-2