Kvanttimateriaali lupaa uutta puhtia aurinkokennoille

Yhdysvaltalaisen Lehighin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet materiaalin, joka osoittaa, että aurinkopaneelien tehokkuutta voidaan lisätä merkittävästi.

Siitä kehitetty prototyyppi tuottaa keskimääräisen 80 % aurinkosähköabsorption, valoviritetyille kantajille korkean generointinopeuden ja jopa ennennäkemättömän 190 % ulkoisen kvanttitehokkuuden (EQE) - mitta, joka ylittää huomattavasti teoreettisen piipohjaisien materiaalien Shockley-Queisserin tehokkuusrajan.

"Tämä työ on merkittävä harppaus eteenpäin kestävien energiaratkaisujen ymmärtämisessä ja kehittämisessä, ja se korostaa innovatiivisia lähestymistapoja, jotka voisivat määritellä uudelleen aurinkoenergian tehokkuuden ja saatavuuden lähitulevaisuudessa", sanoo fysiikan professori Chinedu Ekuma.

Materiaalin tehokkuushyppy johtuu suurelta osin sen erillisistä "välikaistan tiloista", tietyistä energiatasoista, jotka sijoittuvat materiaalin elektroniseen rakenteeseen tavalla, joka tekee niistä ihanteellisia aurinkoenergian muuntamiseen.

Näiden tilojen energiatasot ovat optimaalisten osakaistavälien sisällä - energia-alueet, joilla materiaali voi tehokkaasti absorboida auringonvaloa ja tuottaa varauksenkuljettajia - noin 0,78 ja 1,26 elektronivolttia.

Lisäksi materiaali toimii erityisen hyvin korkealla absorptiotasolla sähkömagneettisen spektrin infrapuna- ja näkyvällä alueella.

Perinteisissä aurinkokennoissa EQE on 100 %, mikä edustaa yhden elektronin muodostumista ja keräämistä jokaista auringonvalosta absorboitunutta fotonia kohden. Viime vuosina tämä raja on ylitetty muutamilla materiaaleja ja kokoonpanot mutta ei kuitenkaan vielä kaupallistettu.

Lehighin kehittämässä materiaalissa välikaistatilat mahdollistavat perinteisten aurinkokennojen menettämän fotonienergian sieppaamisen muun muassa heijastuksen ja lämmöntuotannon kautta.

Tutkijat kehittivät uuden materiaalin hyödyntämällä "van der Waalsin rakoja", atomisesti pieniä fyysisiä rakoja kerrostettujen kaksiulotteisten materiaalien välillä. Nämä raot voivat rajoittaa molekyylejä tai ioneja, ja materiaalitutkijat käyttävät niitä yleisesti muiden elementtien lisäämiseen tai "interkalatoimiseen" materiaalien ominaisuuksien säätämiseksi.

Uudessa materiaalissa Lehigh-tutkijat asettivat nollavalenssin kupariatomeja germaniumselenidistä (GeSe) ja tinasulfidista (SnS) tehdyn kaksiulotteisen materiaalin kerrosten väliin.

"Prototyypin nopea vaste ja parantunut tehokkuus osoittavat vahvasti Cu-interkalatoidun GeSe/SnS:n potentiaalin kvanttimateriaalina käytettäväksi kehittyneissä aurinkosähkösovelluksissa, mikä tarjoaa tien aurinkoenergian muuntamisen tehokkuuden parantamiseen", Chinedu Ekuma kertoo.

Aiheesta aiemmin:

Läpimurto kvanttipisteisissä aurinkokennoissa

Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja