Τα συμβατικά ηλιακά κύτταρα έχουν μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) 100%: για κάθε φωτόνιο που προσπίπτει στο στοιχείο, παράγουν ένα φωτοδιεγερμένο ηλεκτρόνιο. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες προσπάθησαν να το βελτιώσουν αναπτύσσοντας υλικά που «απελευθερώνουν» περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια για κάθε φωτόνιο που απορροφούν. Μια ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό Chinedu Ekuma of Πανεπιστήμιο Lehigh στις ΗΠΑ έχει επιτύχει τώρα αυτόν τον στόχο, παράγοντας ένα υλικό με EQE έως και 190% – σχεδόν διπλάσιο από αυτό των ηλιακών κυψελών πυριτίου.

Η ομάδα έφτιαξε τη νέα ένωση εισάγοντας άτομα χαλκού ανάμεσα σε ατομικά λεπτά στρώματα σεληνιούχου γερμανίου (GeSe) και θειούχου κασσιτέρου (SnS). Το υλικό που προκύπτει έχει τον χημικό τύπο Cu_xGeSe/SnS και οι ερευνητές το ανέπτυξαν εκμεταλλευόμενοι τα λεγόμενα κενά van der Waals. Αυτά τα ατομικά μικρά κενά υπάρχουν μεταξύ στρωμάτων δισδιάστατων υλικών και σχηματίζουν «τσέπες» στις οποίες μπορούν να εισαχθούν άλλα στοιχεία (ή να «εμπλακούν») για να συντονιστούν οι ιδιότητες του υλικού.

Ενδιάμεσες καταστάσεις bandgap

Οι ερευνητές του Lehigh αποδίδουν την αυξημένη EQE του υλικού στην παρουσία ενδιάμεσων καταστάσεων bandgap. Αυτά τα διαφορετικά επίπεδα ηλεκτρονικής ενέργειας προκύπτουν μέσα στην ηλεκτρονική δομή του υλικού με τρόπο που τους επιτρέπει να απορροφούν το φως πολύ αποτελεσματικά σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος ηλιακής ακτινοβολίας. Στο νέο υλικό, αυτά τα επίπεδα ενέργειας υπάρχουν περίπου στα 0.78 και 1.26 ηλεκτρον βολτ (eV), τα οποία βρίσκονται εντός του εύρους από το οποίο το υλικό μπορεί να απορροφήσει αποτελεσματικά το ηλιακό φως.

Το υλικό λειτουργεί ιδιαίτερα καλά στις υπέρυθρες και ορατές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, παράγοντας, κατά μέσο όρο, σχεδόν δύο φωτοδιεγερμένους φορείς φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές συνδεδεμένες σε οιονεί σωματίδια γνωστά ως εξιτόνια) για κάθε προσπίπτον φωτόνιο. Σύμφωνα με τον Ekuma, τέτοια υλικά «πολλαπλής παραγωγής εξιτονίων» μπορούν να χρησιμεύσουν ως το ενεργό στρώμα σε συσκευές ηλιακών κυψελών, όπου η απόδοσή τους διέπεται θεμελιωδώς από τη φυσική των εξιτονίων. «Αυτό το ενεργό στρώμα είναι ζωτικής σημασίας για την ενίσχυση της απόδοσης του ηλιακού κυττάρου διευκολύνοντας τη δημιουργία και τη μεταφορά εξιτονίων στο υλικό», εξηγεί ο Ekuma.

Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για πρακτικές συσκευές

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για να βελτιστοποιήσουν το πάχος του φωτοενεργού στρώματος στο υλικό. Υπολόγισαν ότι το EQE του μπορεί να βελτιωθεί διασφαλίζοντας ότι παραμένει λεπτό (στο λεγόμενο όριο quasi-2D) για να αποτραπούν οι απώλειες κβαντικού περιορισμού. Αυτός είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει την αποτελεσματική παραγωγή και μεταφορά εξιτονίων μέσω μιας διαδικασίας που είναι γνωστή ως μη ακτινοβολικός ανασυνδυασμός, στην οποία τα ηλεκτρόνια και οι οπές έχουν χρόνο να ανασυνδυαστούν αντί να διαχωρίζονται για να παράγουν χρήσιμο ρεύμα, εξηγεί ο Ekuma. «Διατηρώντας τον κβαντικό περιορισμό, διατηρούμε την ικανότητα του υλικού να μετατρέπει αποτελεσματικά το απορροφημένο ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια και να λειτουργεί με μέγιστη απόδοση», λέει.

Ενώ το νέο υλικό είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος για την ανάπτυξη ηλιακών κυψελών επόμενης γενιάς, υψηλής απόδοσης, οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα για να μπορέσει να ενσωματωθεί στα υπάρχοντα συστήματα ηλιακής ενέργειας. «Τώρα εξερευνούμε περαιτέρω αυτήν την οικογένεια παρεμβαλλόμενων υλικών και βελτιστοποιούμε την απόδοσή τους μέσω διαφόρων διαδικασιών μηχανικής υλικών για τον σκοπό αυτό», λέει ο Ekuma. Κόσμος Φυσικής.

Η μελέτη αναλύεται στο Προκαταβολές Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/