新的量子材料有望在太阳能电池中实现超过190%的量子效率

DT半导体材料 2024-04-17 20:14

理海大学的研究人员已经开发出一种材料,它展示了大幅提高太阳能电池板效率的潜力。使用该材料作为太阳能电池有源层的原型显示,平均光伏吸收率为80%,光激发载流子的产生率很高,外部量子效率(EQE)达到了前所未有的190%,远远超过了硅基材料的Shockley-Queisser理论效率极限,并将光伏领域的量子材料推向了新的高度。

“这项工作代表了我们对可持续能源解决方案的理解和发展的重大飞跃,突出了在不久的将来可能重新定义太阳能效率和可行性的创新方法,”物理学教授Chinedu Ekuma说,他与里海大学博士生Srihari Kastuar一起在《Science Advances》杂志上发表了一篇关于这种材料开发的论文。

这种材料的效率飞跃主要归功于其独特的“中间能带状态”,这种特殊的能级位于材料的电子结构中,使其成为太阳能转换的理想选择。这些状态的能级在最优次能带间隙(材料可以有效吸收阳光并产生电荷载流子的能量范围)内,约为0.78和1.26eV。此外,该材料在电磁波谱的红外和可见区域具有高水平的吸收,性能特别好。



在传统的太阳能电池中,最大EQE为100%,表示从阳光中吸收的每个光子产生和收集一个电子。然而,在过去的几年里,一些先进的材料和结构已经证明了从高能光子中产生和收集多个电子的能力,代表了超过100%的EQE。虽然这种多激子产生(MEG)材料尚未广泛商业化,但它们具有极大提高太阳能发电系统效率的潜力。在利哈伊开发的材料中,中间能带状态可以捕获传统太阳能电池丢失的光子能量,包括通过反射和产生热量。

研究人员利用“范德华隙”开发了这种新材料,“范德华隙”是层状二维材料之间的原子小间隙。这些间隙可以限制分子或离子,材料科学家通常使用它们来插入或“插入”其他元素来调整材料特性。为了开发他们的新材料,里海大学的研究人员在由硒化锗(GeSe)和硫化锡(SnS)制成的二维材料层之间插入了零价铜原子。计算凝聚态物理专家Ekuma在对该系统进行了广泛的计算机建模后,开发了该原型作为概念验证。他说:“它的快速响应和提高的效率强烈表明,cu插层GeSe/SnS作为一种量子材料在先进光伏应用中的潜力,为提高太阳能转换的效率提供了一条途径。”

“它是开发下一代高效太阳能电池的有希望的候选者,将在解决全球能源需求方面发挥关键作用。”虽然将新设计的量子材料整合到当前的太阳能系统中还需要进一步的研究和发展,但Ekuma指出,用于制造这些材料的实验技术已经非常先进。随着时间的推移,科学家们已经掌握了一种精确地将原子、离子和分子插入材料的方法。

来源:eurekalert


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