Tavapäraste päikesepatareide maksimaalne väline kvanttõhusus (EQE) on 100%: iga elemendile langeva footoni kohta genereerivad nad ühe fotoergastatud elektroni. Viimastel aastatel on teadlased püüdnud seda parandada, töötades välja materjale, mis "vabastavad" rohkem kui ühe elektroni iga neelduva footoni kohta. Füüsiku juhitud meeskond Chinedu Ekuma of Lehighi ülikool USA on nüüd selle eesmärgi saavutanud, tootes materjali, mille EQE on kuni 190%, mis on peaaegu kaks korda suurem kui ränist päikesepatareidel.

Meeskond valmistas uue ühendi, sisestades vase aatomid aatomiliselt õhukeste germaaniumseleniidi (GeSe) ja tinasulfiidi (SnS) kihtide vahele. Saadud materjali keemiline valem on Cu_xGeSe / SnS ja teadlased töötasid selle välja, kasutades ära niinimetatud van der Waalsi lünki. Need aatomiliselt väikesed vahed eksisteerivad kahemõõtmeliste materjalide kihtide vahel ja moodustavad "taskud", millesse saab materjali omaduste häälestamiseks sisestada (või "interkaleerida") muid elemente.

Vahepealsed ribalaiuse olekud

Lehighi teadlased omistavad materjali suurenenud EQE vahepealsete ribalaiuse olekute olemasolule. Need erinevad elektroonilised energiatasemed tekivad materjali elektroonilises struktuuris viisil, mis võimaldab neil väga tõhusalt neelata valgust laias päikesekiirguse lainepikkuste spektris. Uues materjalis on need energiatasemed umbes 0.78 ja 1.26 elektronvolti (eV), mis jäävad vahemikku, mille piires materjal suudab tõhusalt päikesevalgust neelata.

Materjal töötab eriti hästi elektromagnetilise spektri infrapuna- ja nähtavates piirkondades, tekitades iga langeva footoni kohta keskmiselt peaaegu kaks fotoergastusega laengukandjat (elektronid ja kvaasiosakestega seotud augud, mida nimetatakse eksitoniteks). Ekuma sõnul võivad sellised "mitme eksitoni genereerimise" materjalid olla aktiivsed kihid päikesepatareide seadmetes, kus nende toimivust reguleerib põhimõtteliselt eksitoni füüsika. "See aktiivne kiht on ülioluline päikesepatarei efektiivsuse suurendamiseks, hõlbustades eksitonide teket ja transporti materjalis, " selgitab Ekuma.

Praktiliste seadmete jaoks on vaja täiendavaid uuringuid

Uurijad kasutasid täiustatud arvutusmudeleid, et optimeerida materjali fotoaktiivse kihi paksust. Nad arvutasid välja, et selle EQE-d saab suurendada, tagades, et see jääb õhukeseks (nn kvaasi-2D-piiris), et vältida kvantivastuse kadusid. See on võtmetegur, mis mõjutab tõhusat eksitoni genereerimist ja transporti protsessi kaudu, mida nimetatakse mittekiirguslikuks rekombinatsiooniks, mille käigus elektronidel ja aukudel on aega rekombineerida, selle asemel, et kasuliku voolu tekitamiseks lahti kloppida, selgitab Ekuma. "Säilitades kvantpiirangu, säilitame materjali võime muuta neeldunud päikesevalgus tõhusalt elektrienergiaks ja töötada maksimaalse efektiivsusega," ütleb ta.

Kuigi uus materjal on paljutõotav kandidaat järgmise põlvkonna kõrge efektiivsusega päikesepatareide väljatöötamiseks, tunnistavad teadlased, et enne selle integreerimist olemasolevatesse päikeseenergiasüsteemidesse on vaja täiendavaid uuringuid. "Uurime nüüd seda interkaleeritud materjalide perekonda veelgi ja optimeerime nende tõhusust erinevate materjalitehniliste protsesside abil," räägib Ekuma. Füüsika maailm.

Uuring on üksikasjalikult kirjeldatud Teadus ettemaksed.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/