Za pieniądze Departamentu Energii USA naukowcy z Lehigh University (Pensylwania) stworzyli materiał na panele słoneczne o niewyobrażalnej wydajności. Dzięki opracowaniu nowe panele będą w stanie wyprodukować aż dwa elektrony na każdy zaabsorbowany foton o wysokiej energii, czyli znacznie więcej niż teoretycznie przewidywana wartość.
Należy podkreślić, że zwyczajowa wartość wydajności panelu i zewnętrzna wydajność kwantowa materiału fotowoltaicznego to nie to samo. Padając na panel, część fotonów zostaje odbita, a druga część nagrzewa panel zamiast wzbudzać elektrony. Zatem teoretyczna wartość zewnętrznej efektywności kwantowej (EQE) nie może być większa niż 100%, na co wskazuje granica Shockleya-Quissera, a sprawność paneli jest jeszcze mniejsza. Ale cóż to za nauka, jeśli nie może wyjść poza granice tego, co znane?
„Ta praca stanowi znaczący krok naprzód w naszym rozumieniu i rozwoju zrównoważonych rozwiązań energetycznych, podkreślając innowacyjne podejścia, które mogą na nowo zdefiniować wydajność i dostępność energii słonecznej w najbliższej przyszłości” – powiedział Chinedu Ekuma, profesor fizyki i główny autor książki artykuł w czasopiśmie Science Advances.
Poszukiwania pożądanej kombinacji materiałów przeprowadzono najpierw za pomocą modelowania komputerowego. Następnie na podstawie uzyskanych danych stworzono prototyp, który potwierdził niesamowite właściwości materiału. Próbka, jako warstwa aktywna w krzemowym ogniwie fotowoltaicznym, wykazała średnią absorpcję fotowoltaiczną na poziomie 80%, wysoką szybkość generacji fotowzbudnego nośnika i zewnętrzną wydajność kwantową (EQE) na niespotykanym dotąd poziomie 190%.
Skok wydajności materiału wynika w dużej mierze z jego charakterystycznych „stanów stref pośrednich”, czyli specyficznych poziomów energii, które są umiejscowione w strukturze elektronicznej materiału w sposób, który czyni go idealnym do przetwarzania energii słonecznej. Stany te charakteryzują się poziomami energii mieszczącymi się w optymalnych zakresach energii, w których materiał może skutecznie absorbować światło słoneczne i wytwarzać nośniki ładunku — około 0,78 i 1,26 eV (elektronowoltów). Ponadto materiał sprawdzał się szczególnie dobrze przy wysokich poziomach absorpcji w zakresie podczerwieni i światła widzialnego widma elektromagnetycznego.
W tradycyjnych ogniwach słonecznych maksymalne EQE wynosi 100%, co odpowiada wygenerowaniu i zebraniu jednego elektronu na każdy foton pochłoniętego światła słonecznego. Nowy materiał, podobnie jak wiele innych obiecujących materiałów, wykazał zdolność do generowania i gromadzenia więcej niż jednego elektronu z fotonów o wysokiej energii, co zwiększa teoretycznie możliwą wydajność paneli nawet dwukrotnie lub więcej.
Chociaż takie materiały generujące wiele ekscytonów nie są jeszcze szeroko skomercjalizowane, mają one potencjał znacznej poprawy wydajności systemów energii słonecznej. W materiale opracowanym przez naukowców z Lehigh University stany stref pośrednich wychwytują energię fotonów traconą przez tradycyjne ogniwa słoneczne, m.in. w wyniku odbicia i wytwarzania ciepła.
Naukowcy opracowali nowy materiał, wykorzystując „przerwy van der Waalsa”, czyli atomowo małe szczeliny pomiędzy warstwowymi dwuwymiarowymi materiałami. W tych przerwach mogą znajdować się cząsteczki lub jony, a materiałoznawcy powszechnie wykorzystują je do wstawiania lub „interkalowania” innych pierwiastków w celu dostrojenia właściwości materiału. Zasadniczo w tych szczelinach różne siły międzycząsteczkowe, określane jako siły van der Waalsa, mocno utrzymują pożądane cząsteczki lub atomy, tak jak w przypadku nowego materiału. W szczególności naukowcy umieścili atomy miedzi o zerowej wartościowości pomiędzy selenkiem germanu (GeSe) i siarczkiem cyny (SnS).
„Jego szybka reakcja i zwiększona wydajność zdecydowanie wskazują na potencjał GeSe/SnS interkalowanego Cu jako materiału kwantowego do zastosowania w zaawansowanych rozwiązaniach fotowoltaicznych, oferującego możliwości poprawy wydajności konwersji energii słonecznej” – twierdzą twórcy. „To obiecujący kandydat do opracowania nowej generacji wysokowydajnych ogniw słonecznych, które odegrają kluczową rolę w zaspokajaniu globalnych potrzeb energetycznych”.