Novi kvantni materijal za najučinkovitije solarne ćelije

Istraživači s američkog Sveučilišta Lehigh razvili su materijal koji pokazuje potencijal za drastično povećanje učinkovitosti solarnih ploča.

Prototip koji koristi materijal kao aktivni sloj u solarnoj ćeliji pokazuje prosječnu fotonaponsku apsorpciju od 80%, visoku stopu generiranja fotopobuđenih nositelja i vanjsku kvantnu učinkovitost (EQE) do neviđenih 190%, što je mjera koja daleko premašuje teoretsku Shockley-Queisserovu granicu učinkovitosti za materijale na bazi silicija i gura polje kvantnih materijala za fotonapon na nove visine.

"Ovaj rad predstavlja značajan korak naprijed u našem razumijevanju i razvoju održivih energetskih rješenja, ističući inovativne pristupe koji bi mogli redefinirati učinkovitost i pristupačnost solarne energije u bliskoj budućnosti", rekao je Chinedu Ekuma, profesor fizike, koji je objavio rad o razvoju materijala s Lehighovim doktorandom Sriharijem Kastuarom u časopisu Science Advances.

Skok učinkovitosti materijala uglavnom se može pripisati njegovim prepoznatljivim "srednjim stanjima", specifičnim energetskim razinama koje su smještene unutar elektronske strukture materijala na način koji ih čini idealnim za pretvorbu sunčeve energije.

Ta stanja imaju razine energije unutar optimalnih raskoraka podpojasa energetskih raspona u kojima materijal može učinkovito apsorbirati sunčevu svjetlost i proizvoditi nositelje naboja od oko 0,78 i 1,26 elektronvolta.

Osim toga, materijal se posebno dobro ponaša s visokim razinama apsorpcije u infracrvenom i vidljivom području elektromagnetskog spektra.

U tradicionalnim solarnim ćelijama maksimalni EQE je 100%, što predstavlja stvaranje i prikupljanje jednog elektrona za svaki foton apsorbiran iz sunčeve svjetlosti. Međutim, neki napredni materijali i konfiguracije razvijeni tijekom proteklih nekoliko godina pokazali su sposobnost generiranja i prikupljanja više od jednog elektrona iz fotona visoke energije, što predstavlja EQE od preko 100%.

Dok takvi materijali za generiranje višestrukih eksitona (MEG) tek trebaju biti široko komercijalizirani, oni imaju potencijal za značajno povećanje učinkovitosti solarnih energetskih sustava. U materijalu koji je razvio Lehigh, međustanja pojasa omogućuju hvatanje fotonske energije koju gube tradicionalne solarne ćelije, uključujući refleksiju i proizvodnju topline.

Istraživači su razvili novi materijal koristeći prednost "van der Waalsovih praznina", atomski malih praznina između slojevitih dvodimenzionalnih materijala. Ove praznine mogu ograničiti molekule ili ione, a znanstvenici ih obično koriste za umetanje ili "interkaliranje" drugih elemenata za podešavanje svojstava materijala.

Kako bi razvili svoj novi materijal, istraživači iz Lehigha umetnuli su atome nulavalentnogbakra između slojeva dvodimenzionalnog materijala napravljenog od germanijevog selenida (GeSe) i kositrenog sulfida (SnS).

Ekuma, stručnjak za fiziku računalne kondenzirane tvari, razvio je prototip kao dokaz koncepta nakon što je opsežno računalno modeliranje sustava pokazalo teoretsko obećanje.

Iako će integracija novodizajniranog kvantnog materijala u trenutne sustave solarne energije zahtijevati daljnja istraživanja i razvoj, Ekuma ističe da je eksperimentalna tehnika korištena za stvaranje ovih materijala već vrlo napredna. Znanstvenici su s vremenom ovladali metodom koja precizno umeće atome, ione i molekule u materijale.