USA utvikler nytt kvantefotovoltaisk cellemateriale med en gjennomsnittlig fotovoltaisk absorpsjonsrate på 80 prosent

I følge rapporter i utenlandske medier hevdet forskere fra United States Lehigh University (Lehigh University) i en nylig publisert forskningsrapport at de utviklet et nytt tynnfilms fotovoltaisk celleabsorberende materiale, angivelig er den gjennomsnittlige fotovoltaiske absorpsjonshastigheten til dette materialet 80 %, ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 190 %.

Den eksterne kvanteeffektiviteten (EQE) er forholdet mellom antall elektroner samlet av en PV-celle og antall innfallende fotoner. Den definerer evnen til en PV-celle til å konvertere fotoner til elektrisk strøm. Chinedu Ekuma, en av hovedforfatterne av studien, sa i en uttalelse: "I konvensjonelle fotovoltaiske celler er den høyeste eksterne kvanteeffektiviteten (EQE 100 prosent, som representerer produksjonen og samlingen av ett elektron for hvert foton absorbert fra sollys ."

I en artikkel publisert i tidsskriftet Science Advances med tittelen "Kjemisk innstilte mellombåndtilstander av atomisk tykke CuxGeSe/SnS kvantematerialer for solcelleapplikasjoner," forklarer forskerne at det nye kvantematerialet kan være en ideell match for mellombånds fotovoltaiske celler (IBSCs) .

Slike solcelleceller har potensial til å overskride Shockley-Quayser-grensen (SQ-grensen) - den maksimale teoretiske effektiviteten som kan oppnås av en solcelle med et enkelt pn-kryss. Den beregnes ved å undersøke mengden elektrisk energi som trekkes ut fra hvert innfallende foton.

Forskerne forklarer: "Den raske økningen i effektiviteten til dette materialet skyldes i stor grad dets unike "mellombåndtilstander", spesifikke energinivåer plassert innenfor materialets elektroniske struktur som gjør dem ideelle for fotovoltaisk konvertering. Energinivåene til disse tilstandene er innenfor det optimale underbåndsgapet - energiområdet der materialet effektivt kan absorbere sollys og generere ladningsbærere."

Det nye materialet er et todimensjonalt van der Waals (vdW) materiale, noe som betyr at det har en krystallinsk plan struktur holdt sammen av ioniske bindinger. Den består av en heterostruktur av germanium (Ge), selen (Se) og tinnsulfid (Sns) med nullverdige kobber (Cu)-atomer innsatt i materiallagene.

CuxGeSe/SnS kvantematerialet har et mellomenergibåndgap mellom 0.78 eV og 1.26 eV. Ved å dra nytte av dette, designet og modellerte forskerne for å simulere en tynnfilm fotovoltaisk celle ved å bruke materialet som det aktive laget.

I denne modelleringen bruker PV-cellen et indiumtinnoksid (ITO) substrat, et sinkoksid (ZnO)-basert elektrontransportlag (ETL), et CuxGeSe/SnS absorberende lag og gull (Au) kontakter. Forskningsjunioren bemerket: "I designen vår er tykkelser på GeSe og SnS på atomnivå stablet vertikalt, noe som bidrar til enkel integrering av hybridstrukturen gjennom van der Waals-interaksjoner."

Modelleringsresultatene viser at denne PV-cellen har en ekstern kvanteeffektivitet (EQE) på 110 % ~ 190 %. Forskerne fant også at den optiske aktiviteten til solcellecellen økte i bølgelengdeområdet 600 nm til 1200 nm ved å måle tykkelsen på absorberen.

I papiret deres konkluderte forskerne, "Den raske responsen og økte effektiviteten til dette materialet antyder sterkt potensialet til kobberinnsatt GeSe/SnS som et kvantemateriale for avanserte solcelleapplikasjoner, og gir en ny vei for å forbedre effektiviteten til fotovoltaisk konvertering. "

Når vi ser fremover, sier forskerne at de må utføre ny forskning for å identifisere en praktisk måte å bygge inn dette nye materialet i PV-celler. Imidlertid påpeker de også at de eksperimentelle teknikkene som brukes til å fremstille disse materialene allerede er svært avanserte.