Az USA új kvantum fotovoltaikus cellát fejleszt, átlagosan 80 százalékos fotovoltaikus abszorpciós rátával

Külföldi sajtóértesülések szerint az Egyesült Államok Lehigh Egyetem (Lehigh Egyetem) kutatói egy nemrég közzétett kutatási jelentésükben azt állították, hogy új vékonyrétegű fotovoltaikus cella elnyelő anyagot fejlesztettek ki, állítólag ennek az anyagnak az átlagos fotovoltaikus abszorpciós rátája 80%. külső kvantumhatékonyság (EQE) 190%.

A külső kvantumhatékonyság (EQE) a fotovoltaikus cella által összegyűjtött elektronok számának és a beeső fotonok számának aránya. Meghatározza a PV-cellák azon képességét, hogy fotonokat elektromos árammá alakítson át. Chinedu Ekuma, a tanulmány egyik vezető szerzője nyilatkozatában azt mondta: "A hagyományos fotovoltaikus cellákban a legmagasabb külső kvantumhatékonyság (az EQE 100 százalék, ami a napfénytől elnyelt minden egyes fotonhoz egy elektron termelését és összegyűjtését jelenti ."

A Science Advances folyóiratban megjelent cikkben „Atomosan vastag CuxGeSe/SnS kvantumanyagok kémiailag hangolt köztes sávos állapotai fotovoltaikus alkalmazásokhoz” címmel a kutatók kifejtik, hogy az új kvantumanyag ideális párja lehet a köztes sávú fotovoltaikus celláknak (IBSC). .

Az ilyen fotovoltaikus cellák képesek túllépni a Shockley-Quayser határértéket (SQ limit) – azt a maximális elméleti hatásfokot, amelyet egyetlen pn átmenettel rendelkező fotovoltaikus cella el lehet érni. Kiszámítása az egyes beeső fotonokból kinyert elektromos energia mennyiségének vizsgálatával történik.

A kutatók kifejtik: "Ennek az anyagnak a hatékonyságának gyors növekedése nagyrészt egyedülálló "köztes sávos állapotainak", az anyag elektronikus szerkezetében elhelyezkedő specifikus energiaszinteknek köszönhető, amelyek ideálisak a fotovoltaikus átalakításhoz. Ezen állapotok energiaszintje az optimális részsáv rés - az az energiatartomány, amelyben az anyag hatékonyan képes elnyelni a napfényt és töltéshordozókat generálni."

Az új anyag egy kétdimenziós van der Waals (vdW) anyag, ami azt jelenti, hogy kristályos sík szerkezetű, ionos kötések tartják össze. Germánium (Ge), szelén (Se) és ón-szulfid (Sns) heterostruktúrájából áll, és az anyagrétegekbe nulla vegyértékű réz (Cu) atomok vannak beépítve.

A CuxGeSe/SnS kvantumanyag köztes energiasáv-rés 0,78 eV és 1,26 eV között van. Ezt kihasználva a kutatók egy vékonyfilmes fotovoltaikus cella szimulálására terveztek és modelleztek az anyagot aktív rétegként használva.

Ebben a modellezésben a PV cella indium-ón-oxid (ITO) szubsztrátot, cink-oxid (ZnO) alapú elektrontranszport réteget (ETL), CuxGeSe/SnS abszorber réteget és arany (Au) érintkezőket használ. A fiatal kutató megjegyezte: "A mi tervezésünkben a GeSe és az SnS atomi szintű vastagsága függőlegesen van egymásra rakva, ami hozzájárul a hibrid szerkezet könnyű integrációjához a van der Waals kölcsönhatások révén."

A modellezési eredmények azt mutatják, hogy ennek a napelemes cellának a külső kvantumhatékonysága (EQE) 110-190%. A kutatók azt is megállapították, hogy az abszorber vastagságának mérésével a fotovoltaikus cella optikai aktivitása a 600-1200 nm hullámhossz-tartományban nőtt.

A kutatók tanulmányukban arra a következtetésre jutottak, hogy "Ennek az anyagnak a gyors reakciója és megnövekedett hatékonysága erősen utal a rézbeillesztett GeSe/SnS kvantumanyagban rejlő potenciáljára a fejlett fotovoltaikus alkalmazásokhoz, új utat biztosítva a fotovoltaikus átalakítás hatékonyságának javításához. "

A jövőre nézve a kutatók azt mondják, hogy új kutatást kell végezniük annak érdekében, hogy megtalálják az új anyag PV cellákba való beágyazásának gyakorlati módját. Ugyanakkor arra is felhívják a figyelmet, hogy az anyagok előállításához használt kísérleti technikák már nagyon fejlettek.