Obwohl die Sonne über 50 Prozent ihres Lichts als 'nahes Infrarot' emittiert, können Solarzellen nur sichtbares Licht absorbieren, was bedeutet, dass Sonnenkollektoren wirklich nur einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent erreichen. Ein Team von Chemikern derDie University of California Riverside hat nun einen Weg gefunden, die Effizienz von Solarmodulen zu steigern, indem sie anorganische Halbleiter-Nanokristalle mit organischen Molekülen kombiniert und dabei Photonen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Sonnenspektrums erfolgreich „hochkonvertiert“.Energie könnte noch billiger werden, wenn die für den Einsatz von Sonnenkollektoren benötigte Landfläche sowie die mit dem Bau verbundenen Arbeitskosten reduziert werden können.
„Der Infrarotbereich des Sonnenspektrums geht direkt durch die photovoltaischen Materialien, aus denen die heutigen Solarzellen bestehen“, sagte Professor für Chemie, Christopher Bardeen der das Projekt in Zusammenarbeit mit dem Juniorprofessor für Chemie durchgeführt hat Ming Lee Tang. „Dies ist Energieverlust, egal wie gut Ihre Solarzelle ist. Das von uns entwickelte Hybridmaterial fängt zuerst zwei Infrarotphotonen ein, die normalerweise direkt durch eine Solarzelle gehen würden, ohne in Elektrizität umgewandelt zu werden, und addieren dann ihre Energien zusammenum ein Photon mit höherer Energie zu erzeugen. Dieses hochkonvertierte Photon wird leicht von Photovoltaikzellen absorbiert und erzeugt Strom aus Licht, der normalerweise verschwendet würde.“
Sonnenkollektoren mit Regenbogen [Bildquelle: Steve Jurvetson, Flickr]
Professor Bardeen fügte hinzu, dass die Materialien im Wesentlichen 'das Sonnenspektrum umgestalten', so dass es den in Solarzellen verwendeten PV-Materialien besser entspricht. Die Nutzung des Infrarotanteils des Sonnenspektrums könnte die Solar-PV-Effizienz um 30 Prozent oder mehr erhöhen. Bardeenund Tang verwendeten Cadmiumselenid- und Bleiselenid-Halbleiter-Nanokristalle sowie organische Diphenylanthracen- und Rubren-Verbindungen.Die beiden Wissenschaftler fanden heraus, dass die Cadmiumselenid-Nanokristalle sichtbare Wellenlängen in ultraviolette Photonen umwandeln konnten, während die Bleiselenid-Nanokristalle Nahinfrarotphotonen in sichtbare Photonen umwandeln konnten.
Das resultierende Hybridmaterial wurde 980-Nanometer-Infrarotlicht ausgesetzt, das dann hochkonvertiertes orange/gelbes fluoreszierendes 550-Nanometer-Licht erzeugte, wodurch die Energie der einfallenden Photonen fast verdoppelt wurde. Beschichtung der Cadmiumselenid-Nanokristalle mit organischen Liganden ermöglichte es Bardeen und Tang, den Prozess um bis zu drei Größenordnungen zu steigern und so einen Weg zu höheren Effizienzen zu ermöglichen.
Laut Bardeen kann das 550-Nanometer-Licht von jedem Solarzellenmaterial absorbiert werden, der Schlüssel dazu ist das Hybrid-Verbundmaterial.
„Organische Verbindungen können im Infraroten nicht absorbieren, sind aber gut darin, zwei Photonen mit niedrigerer Energie zu einem Photon mit höherer Energie zu kombinieren“, sagte er. „Durch die Verwendung eines Hybridmaterials absorbiert die anorganische Komponente zwei Photonen und gibt ihre Energie an die organische Komponente weiterfür die Kombination. Die organischen Verbindungen produzieren dann ein energiereiches Photon. Vereinfacht gesagt nehmen die anorganischen Stoffe im Kompositmaterial Licht auf, die organischen Stoffe holen Licht ab.“
Das Projekt eignet sich auch für andere potenzielle Anwendungen, einschließlich biologischer Bildgebung, Datenspeicherung und organischer Leuchtdioden. Bardeen gibt an, dass die Fähigkeit, Licht von einer Wellenlänge in eine andere, nützlichere Region zu verschieben, jede Technologie beeinflussen kann, die Photonen verwendetals Eingänge oder Ausgänge.
Die Studie ist erschienen in Nano-Buchstaben und wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation und der US-Armee finanziert.