Forskare från Lehigh University har utvecklat ett material som har potential att drastiskt öka effektiviteten hos solpaneler.
En prototyp som använder materialet som det aktiva lagret i en solcell uppvisar en genomsnittlig fotovoltaisk absorption på 80%, en hög genereringshastighet av fotoexciterade bärare och en extern kvanteffektivitet (EQE) på upp till 190% – ett mått som vida överstiger den teoretiska Shockley-Queisser effektivitetsgränsen för kiselbaserade material och driver området för kvantmaterial för fotovoltaik till nya höjder.
”Det här arbetet innebär ett stort steg framåt i vår förståelse och utveckling av hållbara energilösningar och visar på innovativa tillvägagångssätt som kan omdefiniera solenergins effektivitet och tillgänglighet inom en snar framtid”, säger Chinedu Ekuma, professor i fysik, som tillsammans med Lehighs doktorand Srihari Kastuar publicerade en artikel om utvecklingen av materialet i tidskriften Science Advances.
Materialets effektivitetssprång beror till stor del på dess utmärkande ”intermediära bandtillstånd”, specifika energinivåer som är placerade inom materialets elektroniska struktur på ett sätt som gör dem idealiska för omvandling av solenergi.
Dessa tillstånd har energinivåer inom de optimala subbandgapen – energiområden där materialet effektivt kan absorbera solljus och producera laddningsbärare – på cirka 0,78 och 1,26 elektronvolt.
Dessutom presterar materialet särskilt bra med höga absorptionsnivåer i de infraröda och synliga regionerna av det elektromagnetiska spektrumet.
I traditionella solceller är den maximala EQE 100%, vilket motsvarar generering och insamling av en elektron för varje foton som absorberas från solljuset. Vissa avancerade material och konfigurationer som utvecklats under de senaste åren har dock visat sig kunna generera och samla in mer än en elektron från högenergifotoner, vilket motsvarar en EQE på över 100%.
Även om sådana MEG-material (Multiple Exciton Generation) ännu inte har kommersialiserats i stor skala, har de potential att kraftigt öka effektiviteten i solenergisystem. I det Lehigh-utvecklade materialet möjliggör de intermediära bandtillstånden infångning av fotonenergi som går förlorad i traditionella solceller, bland annat genom reflektion och värmeproduktion.
Forskarna utvecklade det nya materialet genom att dra nytta av ”van der Waals gaps”, atomärt små mellanrum mellan skiktade tvådimensionella material. Dessa mellanrum kan stänga in molekyler eller joner, och materialforskare använder dem ofta för att infoga, eller ”interkalera”, andra element för att anpassa materialegenskaperna.
För att utveckla sitt nya material infogade Lehigh-forskarna atomer av nollvärd koppar mellan skikten av ett tvådimensionellt material tillverkat av germaniumselenid (GeSe) och tennsulfid (SnS).
Ekuma, som är expert på beräkningar av kondenserade materiens fysik, utvecklade prototypen som ett proof of concept efter att omfattande datormodellering av systemet visat att det var teoretiskt lovande.
”Dess snabba respons och förbättrade effektivitet tyder starkt på potentialen hos Cu-interkalerad GeSe/SnS som ett kvantmaterial för användning i avancerade fotovoltaiska applikationer, vilket erbjuder en väg till effektivitetsförbättringar vid omvandling av solenergi”, säger han. ”Det är en lovande kandidat för utvecklingen av nästa generations högeffektiva solceller, som kommer att spela en avgörande roll för att tillgodose de globala energibehoven.”
Även om det kommer att krävas ytterligare forskning och utveckling för att integrera det nyutvecklade kvantmaterialet i dagens solenergisystem, påpekar Ekuma att den experimentella teknik som används för att skapa dessa material redan är mycket avancerad. Forskare har med tiden bemästrat en metod som exakt för in atomer, joner och molekyler i material.
Ytterligare information: Srihari Kastuar et al, Chemically Tuned Intermediate Band States in Atomically Thin CuxGeSe/SnS Quantum Material for Photovoltaic Applications, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adl6752. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl6752
