Учёные из Лехайского университета (штат Пенсильвания) создали на средства Министерства энергетики США материал для солнечных панелей с невероятной эффективностью. Благодаря этому открытию новые панели смогут генерировать до двух электронов на каждый поглощённый высокоэнергетический фотон, что значительно превышает теоретически прогнозируемое значение.
Важно отметить, что традиционный коэффициент полезного действия панелей и внешняя квантовая эффективность фотоэлектрического материала — это разные понятия. При попадании фотонов на панель часть из них отражается, а другая часть нагревает панель вместо активации электронов. Таким образом, теоретический предел внешней квантовой эффективности (EQE) не может превышать 100 %, как указывает ограничение Шокли-Квиссера, а КПД панелей ещё ниже. Но какая же это наука, если она не способна выйти за рамки известного?
«Эта работа представляет собой значительный скачок вперёд в нашем понимании и разработке решений в области устойчивой энергетики, подчеркивая инновационные подходы, которые могут переопределить эффективность и доступность солнечной энергии в ближайшем будущем», — сказал Чинеду Экума (Chinedu Ekuma), профессор физики, который является ведущим автором статьи в журнале Science Advances.
Сначала была проведена компьютерная симуляция для определения оптимальной комбинации материалов. Затем на основе полученных данных создали прототип, который подтвердил уникальные характеристики материала. Образец, используемый в качестве активного слоя в кремниевой фотоэлектрической ячейке, продемонстрировал среднюю фотоэлектрическую эффективность поглощения 80 %, высокую скорость генерации фотовозбуждённых носителей и беспрецедентный уровень внешней квантовой эффективности (EQE) 190 %.
Повышение эффективности материала в значительной степени обусловлено его уникальными «промежуточными зонами», особыми энергетическими уровнями, которые находятся в электронной структуре материала и делают его идеальным для преобразования солнечной энергии. Эти зоны имеют энергетические диапазоны, в которых материал способен эффективно поглощать солнечный свет и создавать заряженные частицы — примерно 0,78 и 1,26 электрон-вольт. Кроме того, материал демонстрирует отличные результаты при высоком поглощении в инфракрасной и видимой частях электромагнитного спектра.
В обычных солнечных элементах максимальное значение EQE составляет 100 %, что означает генерацию и сбор одного электрона на каждый поглощённый фотон солнечного света. Новый материал, как и некоторые другие перспективные материалы, показал способность генерировать и захватывать более одного электрона из высокоэнергетических фотонов, что теоретически может повысить эффективность панелей в два раза и более.
Несмотря на то что материалы с многократным образованием экситонов пока не получили широкого применения в коммерческой сфере, они обладают значительным потенциалом для улучшения эффективности систем солнечной энергетики. Разработанный учёными из Лехайского университета материал использует промежуточные состояния для улавливания энергии фотонов, которая теряется обычными солнечными элементами, включая отражение и выделение тепла.
Исследователи создали новый материал, используя «ван-дер-ваальсовы зазоры» — чрезвычайно малые расстояния между двумерными слоями слоистых материалов. Эти промежутки способны удерживать молекулы и ионы, и специалисты часто применяют их для внедрения или «интеркалирования» других элементов для изменения свойств материала. В сущности, благодаря силам Ван-дер-Ваальса, действующим в этих промежутках, определённые молекулы и атомы надёжно закрепляются, как в случае нового материала. Например, учёные внедрили атомы меди с нулевой валентностью между селенидом германия (GeSe) и сульфидом олова (SnS).
«Его быстрый отклик и повышенная эффективность убедительно указывают на потенциал Cu-интеркалированного GeSe/SnS в качестве квантового материала для использования в передовых фотоэлектрических решениях, предлагая возможности для повышения эффективности преобразования солнечной энергии, — говорят разработчики. — Это многообещающий кандидат для разработки высокоэффективных солнечных элементов следующего поколения, которые сыграют решающую роль в удовлетворении глобальных потребностей в энергии».
По материалам:
3dnews
