Ученые из Lehigh University (США) разработали материал, демонстрирующий существенный потенциал для повышения эффективности солнечных панелей. Прототип солнечной панели, в котором данный материал используется в качестве активного слоя, показал среднюю эффективность фотоэлектрического поглощения на уровне 80%, высокую скорость генерации фотовозбужденных носителей заряда и внешний квантовый выход (EQE) до рекордных 190%.
Внешний квантовый выход (EQE) — это показатель эффективности солнечной панели, который превышает теоретический предел Shockley-Queisser для кремниевых материалов и выводит область квантовых материалов для фотовольтаики на новый уровень.
Столь высокий коэффициент полезного действия (КПД) материала обусловлен наличием у него особых «промежуточных зон проводимости». Эти специфические энергетические уровни внутри электронной структуры материала идеально подходят для преобразования солнечной энергии.
Уровни энергии промежуточных зон располагаются внутри оптимальных зон запрещенных энергий (диапазонов энергий, в которых материал эффективно поглощает солнечный свет и генерирует носители заряда) — около 0,78 и 1,26 электрон-вольт.
Кроме того, материал демонстрирует особенно высокие показатели поглощения света в инфракрасной и видимой областях электромагнитного спектра.
Для создания нового материала исследователи использовали «щели Ван-дер-Ваальса» — атомарно-малые промежутки между слоями двумерных материалов. Эти промежутки способны вмещать молекулы или ионы, и материаловеды часто используют их для внедрения («интеркалирования») других элементов с целью изменения свойств материала.
Для разработки своего нового материала ученые внедрили атомы одновалентной меди между слоями двумерного материала, состоящего из селенида германия (GeSe) и сульфида олова (SnS).
Ekuma, эксперт в области вычислительной физики конденсированного состояния, разработал прототип в качестве подтверждения концепции после того, как компьютерное моделирование системы показало теоретическую перспективность.
Хотя интеграция нового материала в существующие солнечные энергетические системы потребует дальнейших исследований и разработок, Ekuma отмечает, что экспериментальная методика, используемая для создания этих материалов, уже находится на высоком уровне. Ученые со временем освоили метод точного внедрения атомов, ионов и молекул в материалы.