SUA dezvoltă un nou material pentru celule fotovoltaice cuantice cu o rată medie de absorbție fotovoltaică de 80%

Potrivit rapoartelor mass-media străine, cercetătorii de la Universitatea Lehigh din Statele Unite ale Americii (Universitatea Lehigh) într-un raport de cercetare publicat recent au susținut că au dezvoltat un nou material de absorbție a celulelor fotovoltaice cu peliculă subțire, se presupune că rata medie de absorbție fotovoltaică a acestui material este de 80%, sa eficiență cuantică externă (EQE) de 190%.

Eficiența cuantică externă (EQE) este raportul dintre numărul de electroni colectați de o celulă fotovoltaică și numărul de fotoni incidenti. Acesta definește capacitatea unei celule fotovoltaice de a converti fotonii în curent electric. Chinedu Ekuma, unul dintre autorii principali ai studiului, a declarat într-o declarație: „În celulele fotovoltaice convenționale, cea mai mare eficiență cuantică externă (EQE este de 100%, ceea ce reprezintă producția și colectarea unui electron pentru fiecare foton absorbit de lumina soarelui). ."

Într-o lucrare publicată în revista Science Advances intitulată „Stări ale benzii intermediare reglate chimic ale materialelor cuantice CuxGeSe/SnS groase atomic pentru aplicații fotovoltaice”, cercetătorii explică că noul material cuantic ar putea fi o potrivire ideală pentru celulele fotovoltaice cu bandă intermediară (IBSC) .

Astfel de celule fotovoltaice au potențialul de a depăși limita Shockley-Quayser (limita SQ) - eficiența teoretică maximă care poate fi atinsă de o celulă fotovoltaică cu o singură joncțiune pn. Se calculează prin examinarea cantității de energie electrică extrasă din fiecare foton incident.

Cercetătorii explică: „Creșterea rapidă a eficienței acestui material se datorează în mare parte „stărilor sale intermediare ale benzii”, niveluri specifice de energie situate în structura electronică a materialului, care le fac ideale pentru conversia fotovoltaică. Nivelurile de energie ale acestor stări sunt în limita intervalul optim de subbandă - intervalul de energie în care materialul poate absorbi eficient lumina soarelui și poate genera purtători de încărcare.”

Noul material este un material bidimensional van der Waals (vdW), ceea ce înseamnă că are o structură plană cristalină ținută împreună prin legături ionice. Este alcătuită dintr-o heterostructură de germaniu (Ge), seleniu (Se) și sulfură de staniu (Sns) cu atomi de cupru (Cu) zero-valent inserați în straturile de material.

Materialul cuantic CuxGeSe/SnS are un interval de bandă de energie intermediară între 0,78 eV și 1,26 eV. Profitând de acest lucru, cercetătorii au proiectat și modelat pentru a simula o celulă fotovoltaică cu peliculă subțire folosind materialul ca strat activ.

În această modelare, celula fotovoltaică folosește un substrat de oxid de indiu și staniu (ITO), un strat de transport de electroni (ETL) pe bază de oxid de zinc (ZnO), un strat absorbant CuxGeSe/SnS și contacte de aur (Au). Juniorul de cercetare a remarcat: „În proiectarea noastră, grosimile la nivel atomic de GeSe și SnS sunt stivuite vertical, contribuind la integrarea ușoară a structurii hibride prin interacțiunile van der Waals”.

Rezultatele modelării arată că această celulă fotovoltaică are o eficiență cuantică externă (EQE) de 110% ~ 190%. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că activitatea optică a celulei fotovoltaice a crescut în intervalul de lungimi de undă de la 600 nm la 1200 nm prin măsurarea grosimii absorbantului.

În lucrarea lor, cercetătorii au concluzionat: „Răspunsul rapid și eficiența crescută a acestui material sugerează puternic potențialul GeSe/SnS introdus cu cupru ca material cuantic pentru aplicații fotovoltaice avansate, oferind o nouă cale pentru îmbunătățirea eficienței conversiei fotovoltaice. "

Privind în perspectivă, cercetătorii spun că trebuie să efectueze noi cercetări pentru a identifica o modalitate practică de a încorpora acest nou material în celulele fotovoltaice. Totuși, ei subliniază, de asemenea, că tehnicile experimentale utilizate pentru fabricarea acestor materiale sunt deja foarte avansate.