Новий матеріал може значно підвищити ефективність сонячних панелей

Він показує великий потенціал для просування розробки високоефективних сонячних батарей наступного покоління, які є життєво важливими для задоволення глобальних енергетичних потреб. Команда з Університету Лехай створила матеріал, який може значно підвищити ефективність сонячних панелей.

Прототип, який використовує цей матеріал як активний шар у сонячному елементі, демонструє середнє фотоелектричне поглинання 80%, високу швидкість генерації фотозбуджених носіїв та зовнішню квантову ефективність (EQE) до безпрецедентних 190% — показник, який значно перевищує теоретичне обмеження ефективності Шоклі-Квейссера для матеріалів на основі кремнію та висуває сферу квантових матеріалів для фотоелектричної енергії на нові висоти.

«Ця робота являє собою значний крок вперед у нашому розумінні та розробці рішень сталої енергетики, висвітлюючи інноваційні підходи, які могли б переосмислити ефективність сонячної енергії та доступність у найближчому майбутньому», — сказав Чінеду Екума, професор фізики, який опублікував статтю про розробку матеріалу з докторантом Lehigh Шріхарі Кастуаром у журналі Science Advances.

Розширені властивості матеріалу

Стрибок ефективності матеріалу в основному пояснюється його відмінними «станами проміжної смуги», специфічними рівнями енергії, які розташовані в електронній структурі матеріалу таким чином, що робить їх ідеальними для перетворення сонячної енергії.

Ці стани мають рівні енергії в межах оптимальних підзонних проміжків — енергетичних діапазонів, де матеріал може ефективно поглинати сонячне світло та виробляти носії заряду — близько 0,78 і 1,26 електронвольта. Крім того, матеріал особливо добре працює з високим рівнем поглинання в інфрачервоній та видимій областях електромагнітного спектра.

У традиційних сонячних елементах максимальний EQE становить 100%, що означає генерацію та збір одного електрона для кожного фотона, поглиненого сонячним світлом. Однак деякі передові матеріали та конфігурації, розроблені протягом останніх кількох років, продемонстрували здатність генерувати та збирати більше одного електрона з фотонів високої енергії, що представляє EQE понад 100%.

Хоча такі матеріали множинної генерації екситонів (MEG) ще мають бути широко комерціалізовані, вони мають потенціал для значного підвищення ефективності сонячних енергетичних систем. У матеріалі, розробленому Lehigh, стани проміжної смуги дозволяють вловлювати енергію фотонів, яка втрачається традиційними сонячними елементами, в тому числі через відображення та виробництво тепла.

Матеріальний розвиток і потенціал

Дослідники розробили новий матеріал, використовуючи переваги «ван-дер-ваальсових проміжків», атомарно малих проміжків між шаруватими двовимірними матеріалами. Ці проміжки можуть обмежувати молекули або іони, і матеріалознавці зазвичай використовують їх для вставки або «інтеркаляції» інших елементів для налаштування властивостей матеріалу.

Щоб розробити свій новий матеріал, дослідники Lehigh вставили атоми нуль-валентної міді між шарами двовимірного матеріалу, виготовленого з селеніду германію (GeSe) і сульфіду олова (SnS).

«Його швидка реакція та підвищена ефективність переконливо вказують на потенціал GeSe/SnS, інтеркальованого Cu, як квантового матеріалу для використання в передових фотоелектричних додатках, пропонуючи шлях для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії», — сказав він. «Це багатообіцяючий кандидат для розробки високоефективних сонячних елементів нового покоління, які відіграватимуть вирішальну роль у задоволенні глобальних енергетичних потреб».

Хоча інтеграція нещодавно розробленого квантового матеріалу в поточні системи сонячної енергії потребуватиме подальших досліджень і розробок, Екума вказує на те, що експериментальна техніка, яка використовується для створення цих матеріалів, уже дуже просунута. З часом вчені освоїли метод, який точно вставляє атоми, іони та молекули в матеріали.