Nový materiál se skládá z heterostruktury kombinující germanium, selen a sulfid cínu, která také integruje atomy nulamocné mědi. Vyznačuje se průměrnou fotovoltaickou absorpcí přes 80 %. A podle jeho tvůrců by mohl pomoci fotovoltaickým článkům překonat Shockley-Queisserův limit účinnosti.
Výzkumníci z Lehigh University ve Spojených státech vyvinuli nový tenkovrstvý absorbční materiál pro solární články. Ten údajně vykazuje průměrnou fotovoltaickou absorpci 80 % a externí kvantovou účinnost (EQE) 190 %.
Th EQE je poměr počtu elektronů shromážděných solárním článkem k počtu fotonů, které jej zasáhly. Definuje, jak dobře solární článek přeměňuje fotony na elektrický proud. ,,V tradičních solárních článcích je maximální EQE 100 %. Což představuje generování a sběr jednoho elektronu na každý foton absorbovaný ze slunečního světla,“ uvedl hlavní autor výzkumu Chinedu Ekuma v prohlášení.
V článku „Chemicky laděné stavy středního pásma v atomově tenkém kvantovém materiálu CuxGeSe/SnS pro fotovoltaické aplikace“, publikovaném v ScienceAdvance, akademici vysvětlili, že nový kvantový materiál může být ideální pro solární články se středním pásmem (IBSC).
Kvantové solární články slibuje externí kvantovou účinnost 190 %
Předpokládá se, že tato zařízení mají potenciál překročit Shockley-Queisserův limit – maximální teoretickou účinnost. Té může solární článek s jediným pn přechodem dosáhnout. Vypočítává se zkoumáním množství elektrické energie, které se extrahuje na dopadající foton.
„Skok v účinnosti materiálu lze z velké části připsat jeho charakteristickým „stavům středního pásma“, specifickým energetickým úrovním. Ty jsou umístěny v elektronické struktuře materiálu tak, že jsou ideální pro přeměnu sluneční energie,“ vysvětlili vědci. ,,Tyto stavy mají energetické úrovně v rámci optimálních subpásmových mezer. Tj. tzv. energetických rozsahů, kde materiál může účinně absorbovat sluneční světlo a vytvářet nosiče náboje.“
Nový materiál je 2D dvourozměrný Van der Waalsův (vdW) materiál. Což znamená, že se vyznačuje krystalickou rovinnou konfigurací drženou pohromadě iontovými vazbami. Skládá se z heterostruktury kombinující germanium (Ge), selen (Se) a sulfid cínu (SnS) s atomy nulamocné mědi (Cu) vloženými mezi vrstvy materiálu.
2D dvourozměrný Van der Waalsův (vdW) nový materiál
Materiál CuxGeSe/SnS se vyznačuje středním energetickým pásmem v rozsahu od 0,78 eV do 1,26 eV. S ním skupina navrhla a vymodelovala tenkovrstvý solární článek s navrhovaným materiálem jako aktivní vrstvou.
Předpokládalo se, že zařízení je založeno na substrátu oxidu india a cínu (ITO), elektronové transportní vrstvě (ETL) na bázi oxidu zinečnatého (ZnO), absorbéru CuxGeSe/SnS a zlatém (Au) kovovém kontaktu. ,,V našem návrhu jsou atomově tenké GeSe a SnS vertikálně naskládány. Což usnadňuje snadnou integraci hybridních struktur prostřednictvím van der Waalsových interakcí,“ uvedl výzkumný tým.
Simulace ukázala, že EQE buňky se může pohybovat od 110 % do 190 %. Výzkumníci také zjistili, že měřením tloušťky absorbéru se optická aktivita buněk zvyšuje ve vlnových délkách. A to v rozmezí od 600 do 1 200 nm.
,,Rychlá odezva a zvýšená účinnost ve vzorcích s interkalací Cu silně ukazuje na potenciál GeSe/SnS s interkalací Cu jako kvantového materiálu pro použití v pokročilých fotovoltaických aplikacích. Což nabízí cesty pro zlepšení účinnosti při přeměně sluneční energie,“ uzavřeli.
Při pohledu do budoucna výzkumná skupina uvedla, že je zapotřebí nový výzkum k identifikaci praktického způsobu, jak vložit nový materiál do skutečných solárních článků. Poznamenali však také, že experimentální techniky používané k vytvoření těchto materiálů jsou již „vysoce pokročilé“.
Zdroj: pv-magazine, Vapol