На гроші Міністерства енергетики США вчені з Лехайського університету (штат Пенсільванія) створили матеріал для сонячних панелей із неймовірною ефективністю. Завдяки розробці нові панелі зможуть виробляти до двох електронів на кожен поглинений високоенергетичний фотон, що набагато вище за теоретично передбачене значення.
Слід наголосити, що звичне значення ККД панелей і зовнішня квантова ефективність фотоелектричного матеріалу — це не те саме. Під час падіння на панель частина фотонів відображається, а інша частина нагріває панель замість збудження електронів. Тим самим було теоретичне значення зовнішньої квантової ефективності (EQE) може бути більше 100 %, потім вказує межа Шокли-Квиссера, а ККД панелей ще менше. Але що це за наука, якщо вона не може зробити крок за межі відомого?
«Ця робота є значним стрибком вперед у нашому розумінні та розробці рішень у галузі сталої енергетики, підкреслюючи інноваційні підходи, які можуть перевизначити ефективність та доступність сонячної енергії в найближчому майбутньому», — сказав Чинеду Екума (Chinedu Ekuma), професор фізики, який є провідним автором статті у журналі Science Advances.
Пошук потрібної комбінації матеріалів спочатку було проведено за допомогою моделювання на комп’ютері. Потім, на основі отриманих даних, було створено прототип, що підтвердив дивовижні властивості матеріалу. Зразок як активний шар кремнієвої фотоелектричної клітинки продемонстрував середнє фотоелектричне поглинання в 80%, високу швидкість генерації фотозбуджених носіїв і зовнішню квантову ефективність (EQE) на безпрецедентному рівні 190%.
Стрибок ефективності матеріалу багато в чому пояснюється його відмінними «станами проміжної зони» , специфічними рівнями енергії, які розташовані в електронній структурі матеріалу таким чином, що роблять їх ідеальними для перетворення сонячної енергії. Ці стани мають рівні енергії в межах оптимальних енергетичних діапазонів, у яких матеріал може ефективно поглинати сонячне світло та виробляти носії заряду – близько 0,78 та 1,26 еВ (електрон-вольт). Крім того, матеріал особливо добре виявив себе при високих рівнях поглинання в інфрачервоній та видимій областях електромагнітного спектра.
У традиційних сонячних елементах максимальне значення EQE становить 100%, що відповідає генерації та збиранню одного електрона на кожен поглинений фотон сонячного світла. Новий матеріал, як і ряд інших перспективних матеріалів, продемонстрував здатність генерувати та збирати більше одного електрона з фотонів високої енергії, що забезпечує збільшення теоретично можливого ККД панелей до двох і більше разів.
Хоча такі матеріали з багаторазовим генеруванням екситонів ще не набули широкого комерційного поширення, вони мають потенціал для значного підвищення ефективності систем сонячної енергетики. У матеріалі, розробленому дослідниками Лехайського університету, стани проміжної зони дозволяють вловлювати енергію фотонів, що втрачається традиційними сонячними елементами, у тому числі шляхом відображення та вироблення тепла.
Дослідники розробили новий матеріал з використанням «ван-дер-ваальсових зазорів», атомарно малих проміжків між шаруватими двовимірними матеріалами. Ці проміжки можуть утримувати молекули або іони, і матеріалознавці зазвичай використовують їх для вставки або інтеркалування інших елементів для налаштування властивостей матеріалу. Насправді у цих зазорах різні міжмолекулярні сили, зумовлені як сили Ван-дер-Ваальса, міцно утримують необхідні молекули чи атоми, як і нового матеріалу. Зокрема, вчені помістили між селенідом германію (GeSe) та сульфідом олова (SnS) атоми міді нульової валентності.
«Його швидкий відгук та підвищена ефективність переконливо вказують на потенціал Cu-інтеркалованого GeSe/SnS як квантовий матеріал для використання у передових фотоелектричних рішеннях, пропонуючи можливості для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії, — кажуть розробники. — Це перспективний кандидат на розробку високоефективних сонячних елементів наступного покоління, які відіграють вирішальну роль у задоволенні глобальних потреб в енергії».