مدت‌هاست که دانشمندان دریافته‌اند که نانوذرات تبدیل بالا (Up-conversion nanoparticles) می‌تواند کارایی سلول‌های خورشیدی را بهبود دهند. به تازگی محققان دریافتند که دلیل افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی تقویت شده با این نانوذرات، به تبدیل طول موج ربطی ندارد، بلکه نانوذرات پراکندگی نور را افزایش می‌دهند و عملکرد سلول خورشیدی در اثر همین پراش افزایش می‌یابد.
کشفی که نگرش دانشمندان درباره سلول‌های خورشیدی را تغییر دارد
با افزایش تقاضا برای انرژی خورشیدی در سراسر جهان، دانشمندان در حال تلاش برای بهبود عملکرد دستگاه‌های جذب انرژی خورشیدی هستند. محققان با محدودیت‌های نظری در مورد میزان کارآمدی سلول‌های خورشیدی مواجه هستند.
یکی از روش‌های افزایش کارایی فراتر از این محدودیت‌ها، افزودن نانوذرات تبدیل‌شونده به مواد مورد استفاده در دستگاه‌های خورشیدی است. مواد با تبدیل بالا به سلول‌های خورشیدی اجازه می‌دهند تا انرژی را از طیف وسیع‌تری از نور نسبت به حالت عادی جمع‌آوری کنند.
تیمی از دانشمندان با آزمایش این رویکرد دریافتند که نانوذرات کارایی را افزایش می‌دهند، اما نه به دلیلی که انتظار داشتند. تحقیقات آن‌ها ممکن است مسیر جدیدی را برای توسعه دستگاه های خورشیدی کارآمدتر باز کند.
شاشانک پریا، معاون پژوهشی و استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، می‌گوید: «برخی از پژوهشگران درمقالات این فرضیه را مطرح کرده‌اند و نتایجی را نشان داده‌اند که در آن نانوذرات با تبدیل بالا، عملکرد سلول‌های خورشیدی را افزایش می‌دهند. اما این تحقیق نشان می‌دهد که مهم نیست نانوذرات تبدیل شونده یا هر نانوذره دیگری را وارد سلول خورشیدی کنید، کارایی افزایش یافته به دلیل افزایش پراکندگی نور است.
به گفته دانشمندان، افزودن نانوذرات مانند افزودن میلیون‌ها آینه کوچک در داخل یک سلول خورشیدی است. نوری که از طریق دستگاه عبور می‌کند به نانوذرات برخورد می‌کند و پراکنده می‌شود و احتمالا به نانوذرات دیگر برخورد می‌کند و بارها در داخل دستگاه منعکس می‌شود و افزایش قابل توجهی در جریان نور ایجاد می‌کند.
دانشمندان گفتند که این فرآیند پراکندگی نور دلیل افزایش کارایی در دستگاه‌های خورشیدی ساخته شده توسط آن‌ها است.
کای وانگ، استادیار پژوهشی در دپارتمان علوم مواد، می‌گوید: «مهم نیست که چه نانوذراتی را وارد سلول خورشیدی می‌کنید، تا زمانی که نانوذراتی خواص پراکندگی داشته باشند، وجود آن‌ها منجر به افزایش چند درصدی در کارایی می‌شود. من فکر می‌کنم تحقیقات ما توضیح خوبی در مورد اینکه چرا این نوع ساختار جذب‌کننده نور برای حوزه سلول خورشیدی جالب است، ارائه می‌دهد.»
تقریبا نیمی از انرژی خورشید به صورت نور مادون قرمز به زمین می رسد، اما اکثر سلول‌های خورشیدی قادر به برداشت آن نیستند. دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که بهره‌برداری از این طیف نوری، می‌تواند بازده سلول‌های خورشیدی را از سقف نظری آن، یعنی حد شاکلی-کویسر (SQ) عبور دهد، که حدود ۳۰ درصد برای سلول‌های خورشیدی تک اتصالی است که از نور خورشید تغذیه می‌کنند.
مطالعات قبلی افزایش ۱ تا ۲ درصدی راندمان را با استفاده از نانوذرات با تبدیل بالا نشان داده است. اما این گروه دریافتند که این مواد تنها تقویت بسیار اندکی در دستگاه‌های خورشیدی پروسکایتی ایجاد می‌کنند.
جیم پایپر، یکی از نویسندگان مقاله مربوط به این پروژه گفت: «ما در ابتدا بر روی تبدیل نور مادون قرمز به طیف مرئی برای جذب و تبدیل انرژی توسط پروسکایت متمرکز بودیم، اما داده‌های همکاران ما در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا به ما نشان داد که این فرآیند مهمی نبوده است. در دانشگاه مک کواری استرالیا متعاقباً ما نانوبلور‌هایی را ارائه کردیم که تبدیل نوری انجام نمی‌دهند اما به همان اندازه در افزایش راندمان تبدیل انرژی مؤثر بودند.»
این تیم محاسبات نظری را انجام دادند و دریافتند که افزایش کارایی در واقع ناشی از توانایی نانوذرات در بهبود پراکندگی نور است.
افزودن نانوذرات کارایی سلول‌های خورشیدی پروسکایت را ۱ درصد در این مطالعه افزایش داد. دانشمندان گفتند تغییر شکل، اندازه و توزیع نانوذرات در این دستگاه‌ها می‌تواند بازدهی بالاتری را به همراه داشته باشد.
