Molecular upconversion for photovoltaics
| Promotie: | Dhr. W. Zou |
| Wanneer: | 05 juni 2015 |
| Aanvang: | 11:00 |
| Promotor: | prof. dr. J.C. (Kees) Hummelen |
| Copromotor: | M.S. (Maxim S) Pchenitchnikov, Prof |
| Waar: | Academiegebouw RUG |
| Faculteit: | Science and Engineering |
Antennes maken zonnecel efficiënter
Het doel van het promotieonderzoek van Wenqiang Zou is om de efficiëntie waarmee fotovoltaïsche zonnecellen licht in stroom omzetten te verhogen. Die efficiëntie is relatief laag doordat standaard fotovoltaïsche zonnecellen geen fotonen kunnen ‘oogsten’ waarvan de energie lager is dan de drempelwaarde van het actieve materiaal. Een manier om dit te verbeteren is door verschillende fotonen met lage energie om te zetten naar een foton met voldoende hoge energie, een proces dat upconversie heet.
In zijn proefschrift beschrijft Zou eerst de werking van nanodeeltjes van β-NaYF4:Yb,Er (het meest efficiënte materiaal voor upconversie op dit moment). Theoretische berekeningen laten zien dat via upconversie de efficiëntie van zonnecellen met 50,7 procent kan toenemen. Maar dat is in een ideale situatie, in de praktijk valt dit tegen omdat bekende upconversie materialen alleen energie arme fotonen van een heel specifieke golflengte kunnen verwerken.
Om dit probleem op te lossen introduceerde Zou een nieuw concept: hij plaatste op het upconversie materiaal ‘antennes’ van een kleurstof die nabij-infrarood licht (NIR) kunnen opvangen. Zou ontwierp en synthetiseerde twee van zulke kleurstoffen, met de naam IR-806 e nIR-840. Beide kleurstoffen kunnen nabij-infrarode fotonen over een breed golflengtegebied absorberen.
Wanneer Zou IR-806 als antenne plaatst op nanodeeltjes van het β-NaYF4:Yb,Er upconversie materiaal, verloopt de upconversie maar liefst zo’n 3300 maal beter dan zonder de antennes. En wanneer zowel IR-806 als IR-840 op de nanodeeltjes zitten, is de upconversie ongeveer 4000 maal beter.
Verdere versterking van de upconversie is mogelijk door de golflengtes waarbij verschillende kleurstoffen fotonen absorberen beter op elkaar zijn afgestemd, of door meer kleurstoffen als antenne te gebruiken zodat een breder golflengtegebied wordt geabsorbeerd. Dit soort ‘breedband’ verhoging van de gevoeligheid zou, in combinatie met nieuwe upconversie materialen met een hogere opbrengst, het hele proces van een academisch en exotisch fenomeen maken tot een realistische en haalbare manier om fotovoltaïsche zonnecellen veel efficiënter te maken.
Wenqiang Zou verrichtte zijn onderzoek bij de afdeling Chemie van (Bio)organische Materialen en Devices van het Stratingh Instituut voor chemie. Het werd gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie FOM.