Introducere
O echipă de ingineri de la Universitatea Lehigh a creat un material care ar putea îmbunătăți semnificativ eficiența panourilor solare. Un prototip folosind acest material ca strat activ într-o celulă solară prezintă o absorbție fotovoltaică medie de 80%, o rată ridicată de generare a purtătorilor fotoexcitați și o eficiență cuantică externă (EQE) de până la 190% – o măsură care depășește cu mult limita teoretică de eficiență Shockley-Queisser pentru materialele pe bază de siliciu și împinge domeniul materialelor cuantice pentru fotovoltaice către noi culmi.
Acest lucru reprezintă un salt semnificativ în înțelegerea și dezvoltarea soluțiilor energetice durabile, evidențiind abordări inovatoare care ar putea redefini eficiența și accesibilitatea energiei solare în viitorul apropiat”, a declarat Chinedu Ekuma, profesor de fizică, care a publicat un articol despre dezvoltarea materialului împreună cu doctorandul de la Lehigh, Srihari Kastuar, în revista Science Advances.
Proprietățile materialului și principalele beneficii
Saltul de eficiență al materialului se datorează în mare măsură „stărilor intermediare de bandă”, nivele de energie specifice poziționate în structura electronică a materialului într-un mod care le face ideale pentru conversia energiei solare.
Aceste stări au nivele de energie în intervalul sub-benzilor optimale – intervalul de energie în care materialul poate absorbi eficient lumina solară și poate produce purtători de sarcină – de aproximativ 0,78 și 1,26 electronvolți.
În plus, materialul se comportă în special bine cu niveluri ridicate de absorbție în regiunile infraroșu și vizibil ale spectrului electromagnetic.
Funcționalitate și diferențe
În celulele solare tradiționale, eficiența cuantică externă maximă (EQE) este de 100%, reprezentând generarea și colectarea unui electron pentru fiecare foton absorbit din lumina soarelui. Cu toate acestea, unele materiale și configurații avansate dezvoltate în ultimii ani au demonstrat capacitatea de a genera și colecta mai mult de un electron din fotoni de înaltă energie, reprezentând o EQE de peste 100%.
În timp ce materialele care permit Generarea Multiplă de Excitoni (MEG) nu au fost încă comercializate pe scară largă, ele au potențialul de a crește semnificativ eficiența sistemelor de energie solară. În materialul dezvoltat de către cercetătorii de la Lehigh, stările intermediare de bandă permit captarea energiei fotonilor care este pierdută de către celulele solare tradiționale, inclusiv prin reflexie și producția de căldură.
Dezvoltarea materialului și potențial
Cercetătorii au dezvoltat materialul inovator profitând de „spațiile van der Waals”, spații atomic de mici dimensiuni între materialele bidimensionale stratificate. Aceste spații pot confina molecule sau ioni, iar oamenii de știință ai materialelor le folosesc în mod obișnuit pentru a insera sau „intercala” alte elemente pentru a ajusta proprietățile materialelor.
Pentru a dezvolta materialul lor inovator, cercetătorii de la Lehigh au inserat atomi de cupru zerovalent între straturile unui material bidimensional format din selenid de germaniu (GeSe) și sulfid de staniu (SnS).
Ekuma, expert în fizica materiei condensate computaționale, a dezvoltat prototipul ca o dovadă a conceptului după modelarea extensivă a sistemului pe computer, care a demonstrat promisiunea teoretică.
„Răspunsul său rapid și eficiența îmbunătățită indică puternic potențialul Cu-intercalat GeSe/SnS ca material cuantic pentru utilizare în aplicații fotovoltaice avansate, oferind o cale pentru îmbunătățiri ale eficienței în conversia energiei solare”, a spus el. „Este un candidat promițător pentru dezvoltarea celulelor solare de înaltă eficiență de următoare generație, care vor juca un rol crucial în satisfacerea nevoilor globale de energie.”
Deși integrarea noului material cuantic proiectat în sistemele actuale de energie solară va necesita cercetare și dezvoltare suplimentară, Ekuma subliniază că tehnica experimentală utilizată pentru a crea aceste materiale este deja foarte avansată. Oamenii de știință au reușit, de-a lungul timpului, să stăpânească o metodă care inseră precis atomi, ioni și molecule în materiale.
Referințe: „Stări intermediare de bandă ajustate chimic în materialul cuantic subțire CuxGeSe/SnS pentru aplicații fotovoltaice” de Srihari M. Kastuar și Chinedu E. Ekuma, 10 aprilie 2024, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adl6752
Cercetarea a fost finanțată în parte printr-o subvenție din partea Departamentului de Energie al Statelor Unite.
