Със средства от Министерството на енергетиката на САЩ учени от университета Lehigh (Пенсилвания) са създали материал за слънчеви панели с невъобразима ефективност. Благодарение на разработката новите панели ще могат да произвеждат до два електрона за всеки погълнат високоенергиен фотон, което е много повече от теоретично предвидената стойност.

Трябва да се подчертае, че обичайната стойност на ефективността на панела и външната квантова ефективност на фотоволтаичния материал не са едно и също нещо. Когато падат върху панела, част от фотоните се отразяват, а другата част нагрява панела, вместо да възбужда електрони. Следователно теоретичната стойност на външната квантова ефективност (EQE) не може да бъде по-голяма от 100 %, както показва границата на Шокли-Куисер, а ефективността на панелите е дори по-малка. Но що за наука е това, ако не може да излезе извън рамките на известното?

"Тази работа представлява значителен скок напред в нашето разбиране и разработване на устойчиви енергийни решения, като подчертава иновативните подходи, които биха могли да предефинират ефективността и достъпността на слънчевата енергия в близко бъдеще", казва Чинеду Екума, професор по физика, който е водещ автор на статията в Science Advances.

Търсенето на правилната комбинация от материали е извършено първо с помощта на компютърно моделиране. След това въз основа на получените данни е създаден прототип, който потвърждава невероятните свойства на материала. Образецът като активен слой в силициева фотоволтаична клетка показа средна фотоволтаична абсорбция от 80 %, висока степен на генериране на фотовъзбудени носители и външна квантова ефективност (EQE) от безпрецедентните 190 %.

Скокът в ефективността на материала се дължи до голяма степен на неговите характерни "междинни състояния" - специфични енергийни нива, които са подредени в електронната структура на материала по начин, който ги прави идеални за преобразуване на слънчевата енергия. Тези състояния имат енергийни нива в оптималните енергийни диапазони, в които материалът може ефективно да абсорбира слънчева светлина и да произвежда носители на заряд - около 0,78 и 1,26 eV (електронволта). Освен това материалът се представя особено добре при високи нива на поглъщане в инфрачервената и видимата област на електромагнитния спектър.

При конвенционалните слънчеви клетки максималната стойност на EQE е 100 %, което съответства на генерирането и събирането на един електрон за всеки погълнат фотон слънчева светлина. Новият материал, както и редица други обещаващи материали, демонстрира способността да генерира и събира повече от един електрон от високоенергийните фотони, което осигурява повишаване на теоретично възможната ефективност на панелите до два или повече пъти.

Въпреки че подобни материали с генериране на множество екситони все още не са широко разпространени на пазара, те имат потенциала значително да подобрят ефективността на системите за слънчева енергия. В материала, разработен от изследователите от Университета в Лейхи, междинните състояния на зоните позволяват улавянето на енергията на фотоните, която се губи от традиционните слънчеви клетки, включително чрез отразяване и генериране на топлина.

Изследователите са разработили новия материал, като са използвали "ван дер Ваалсови празнини" - атомно малки празнини между слоести двуизмерни материали. Тези празнини могат да задържат молекули или йони и учените в областта на материалите обикновено ги използват за вмъкване или "интеркалация" на други елементи, за да персонализират свойствата на материала. По същество в тези празнини различни междумолекулни сили, определяни като сили на Ван дер Ваалс, държат желаните молекули или атоми здраво на място, както е в случая с новия материал. По-конкретно, учените са поставили медни атоми с нулева валентност между германиев селенид (GeSe) и калаен сулфид (SnS).

"Бързата реакция и повишената ефективност категорично показват потенциала на Cu-интеркалирания GeSe/SnS като квантов материал за използване в съвременни фотоволтаични решения, предлагайки възможности за подобряване на ефективността на преобразуване на слънчевата енергия", казват разработчиците. - 'Това е обещаващ кандидат за разработване на високоефективни слънчеви клетки от следващо поколение, които ще играят решаваща роля за задоволяване на глобалните енергийни нужди'.