SAD razvija novi materijal za kvantne fotonaponske ćelije s prosječnom stopom fotonaponske apsorpcije od 80 posto

Prema izvješćima stranih medija, istraživači američkog sveučilišta Lehigh (Lehigh University) u nedavno objavljenom istraživačkom izvješću tvrdili su da su razvili novi tankoslojni materijal koji apsorbira fotonaponske ćelije, a navodno je prosječna stopa fotonaponske apsorpcije ovog materijala 80%, njegova vanjska kvantna učinkovitost (EQE) od 190%.

Vanjska kvantna učinkovitost (EQE) je omjer broja elektrona koje je prikupila PV ćelija i broja upadnih fotona. Definira sposobnost PV ćelije da pretvori fotone u električnu struju. Chinedu Ekuma, jedan od vodećih autora studije, rekao je u izjavi: "Kod konvencionalnih fotonaponskih ćelija, najveća vanjska kvantna učinkovitost (EQE je 100 posto, što predstavlja proizvodnju i prikupljanje jednog elektrona za svaki foton apsorbiran iz sunčeve svjetlosti ."

U radu objavljenom u časopisu Science Advances pod naslovom "Kemijski podešena međupojasna stanja atomski debelih CuxGeSe/SnS kvantnih materijala za fotonaponske primjene", istraživači objašnjavaju da bi novi kvantni materijal mogao biti idealan spoj za srednjepojasne fotonaponske ćelije (IBSC) .

Takve fotonaponske ćelije imaju potencijal premašiti Shockley-Quayserovu granicu (SQ granica) – maksimalnu teoretsku učinkovitost koju može postići fotonaponska ćelija s jednim pn spojem. Izračunava se ispitivanjem količine električne energije izvučene iz svakog upadnog fotona.

Istraživači objašnjavaju: "Brzo povećanje učinkovitosti ovog materijala uvelike je posljedica njegovih jedinstvenih 'stanja međupojasa', specifičnih energetskih razina smještenih unutar elektroničke strukture materijala koje ih čine idealnim za fotonaponsku pretvorbu. Energetske razine tih stanja su unutar optimalni jaz podpojasa - energetski raspon u kojem materijal može učinkovito apsorbirati sunčevu svjetlost i generirati nositelje naboja."

Novi materijal je dvodimenzionalni van der Waalsov (vdW) materijal, što znači da ima kristalnu planarnu strukturu koju zajedno drže ionske veze. Sastoji se od heterostrukture germanija (Ge), selena (Se) i kositrenog sulfida (Sns) s nultovalentnim atomima bakra (Cu) umetnutim u slojeve materijala.

Kvantni materijal CuxGeSe/SnS ima srednji energetski pojas između 0,78 eV i 1,26 eV. Iskoristivši to, istraživači su dizajnirali i modelirali tako da simuliraju tankoslojnu fotonaponsku ćeliju koristeći materijal kao aktivni sloj.

U ovom modeliranju, fotonaponska ćelija koristi supstrat od indij-kositrenog oksida (ITO), sloj za transport elektrona (ETL) na bazi cinkovog oksida (ZnO), apsorberski sloj CuxGeSe/SnS i kontakte od zlata (Au). Mlađi istraživač primijetio je: "U našem dizajnu, debljine GeSe i SnS na atomskoj razini složene su okomito, pridonoseći lakoj integraciji hibridne strukture kroz van der Waalsove interakcije."

Rezultati modeliranja pokazuju da ova PV ćelija ima vanjsku kvantnu učinkovitost (EQE) od 110% ~ 190%. Istraživači su također otkrili da se optička aktivnost fotonaponske ćelije povećala u rasponu valnih duljina od 600 nm do 1200 nm mjerenjem debljine apsorbera.

U svom radu istraživači su zaključili: "Brzi odziv i povećana učinkovitost ovog materijala snažno sugeriraju potencijal GeSe/SnS s umetnutim bakrom kao kvantnog materijala za napredne fotonaponske primjene, pružajući novi put za poboljšanje učinkovitosti fotonaponske pretvorbe. "

Gledajući unaprijed, istraživači kažu da trebaju provesti nova istraživanja kako bi identificirali praktičan način za ugradnju ovog novog materijala u PV ćelije. Međutim, oni također ističu da su eksperimentalne tehnike koje se koriste za izradu ovih materijala već vrlo napredne.