10 آوریل 2024 -توسط دانشگاه لیهای-شماتیک سلول خورشیدی لایه نازک با CuxGeSe/SnS به عنوان لایه فعال. اعتبار: آزمایشگاه Ekuma / دانشگاه لیهای
محققان دانشگاه Lehigh ماده ای ساخته اند که پتانسیل افزایش چشمگیر کارایی پنل های خورشیدی را نشان می دهد.
نمونه اولیه ای که از ماده به عنوان لایه فعال در یک سلول خورشیدی استفاده می کند، میانگین جذب فتوولتائیک 80٪، نرخ تولید بالای حامل های فوتو تحریک شده، و بازده کوانتومی خارجی (EQE) تا 190٪ بی سابقه را نشان می دهد – اندازه ای که بسیار فراتر از آن است. حد بازده نظری شاکلی-کویسر برای مواد مبتنی بر سیلیکون و زمینه مواد کوانتومی برای فتوولتائیک ها را به ارتفاعات جدیدی سوق می دهد.
چیندو اکوما، استاد فیزیک، که مقاله ای در مورد توسعه منتشر کرده است، از مطالب با دانشجوی دکترای Lehigh سریهاری کاستور در مجله Science Advances گفت: “این کار نشان دهنده یک جهش به جلو در درک و توسعه راه حل های انرژی پایدار است و رویکردهای نوآورانه ای را برجسته می کند که می تواند کارایی انرژی خورشیدی و دسترسی را در آینده نزدیک بازتعریف کند.”
جهش کارایی این ماده عمدتاً به «حالت‌های باند میانی» متمایز آن مربوط می‌شود، سطوح انرژی خاصی که در ساختار الکترونیکی مواد قرار گرفته‌اند به گونه‌ای که آنها را برای تبدیل انرژی خورشیدی ایده‌آل می‌کند.
این حالت‌ها دارای سطوح انرژی در شکاف‌های زیر باند بهینه هستند – محدوده انرژی که در آن مواد می‌توانند به طور موثر نور خورشید را جذب کنند و حامل‌های بار تولید کنند – حدود 0.78 و 1.26 الکترون ولت.
بعلاوه، این ماده با سطوح بالای جذب در نواحی مادون قرمز و مرئی طیف الکترومغناطیسی عملکرد خوبی دارد.
در سلول های خورشیدی سنتی، حداکثر EQE 100٪ است که نشان دهنده تولید و جمع آوری یک الکترون برای هر فوتون جذب شده از نور خورشید است. با این حال، برخی از مواد پیشرفته و پیکربندی‌های توسعه‌یافته در چند سال گذشته توانایی تولید و جمع‌آوری بیش از یک الکترون از فوتون‌های پرانرژی را نشان داده‌اند که نشان‌دهنده EQE بیش از 100 درصد است.
در حالی که چنین مواد تولید اکسایتون چندگانه (MEG) هنوز به طور گسترده تجاری نشده اند، آنها پتانسیل افزایش بسیار کارایی سیستم های انرژی خورشیدی را دارند. در مواد توسعه‌یافته Lehigh، حالت‌های باند میانی، جذب انرژی فوتونی را که توسط سلول‌های خورشیدی سنتی از دست می‌رود، از جمله از طریق بازتاب و تولید گرما، امکان‌پذیر می‌سازد.
محققان این ماده جدید را با بهره‌گیری از «شکاف‌های واندروالس»، شکاف‌های کوچک اتمی بین مواد لایه‌ای دوبعدی، توسعه دادند. این شکاف‌ها می‌توانند مولکول‌ها یا یون‌ها را محدود کنند و دانشمندان مواد معمولاً از آنها برای وارد کردن، یا «میان‌گذاری» عناصر دیگر برای تنظیم خواص مواد استفاده می‌کنند.
برای توسعه مواد جدید خود، محققان Lehigh اتم‌های مس صفر ظرفیتی را بین لایه‌های یک ماده دو بعدی ساخته شده از سلنید ژرمانیوم (GeSe) و سولفید قلع (SnS) قرار دادند.
Ekuma، متخصص در فیزیک ماده چگال محاسباتی، پس از مدل‌سازی کامپیوتری گسترده سیستم که وعده‌های نظری را نشان داد، نمونه اولیه را به عنوان اثبات مفهومی توسعه داد.
او گفت: «پاسخ سریع و راندمان افزایش‌یافته آن قویاً نشان‌دهنده پتانسیل GeSe/SnS با Cu-intercalated به عنوان یک ماده کوانتومی برای استفاده در کاربردهای فتوولتائیک پیشرفته است و راهی برای بهبود کارایی در تبدیل انرژی خورشیدی ارائه می‌کند.این یک نامزد امیدوارکننده برای توسعه نسل بعدی سلول‌های خورشیدی با کارایی بالا است که نقش مهمی در رفع نیازهای جهانی انرژی ایفا خواهد کرد.»
اگرچه ادغام مواد کوانتومی جدید طراحی شده در سیستم‌های انرژی خورشیدی کنونی به تحقیق و توسعه بیشتری نیاز دارد، Ekuma اشاره می‌کند که تکنیک آزمایشی مورد استفاده برای ایجاد این مواد در حال حاضر بسیار پیشرفته است. دانشمندان با گذشت زمان بر روشی تسلط یافتند که دقیقاً اتم ها، یون ها و مولکول ها را در مواد وارد می کند.
