חוקרי אוניברסיטת ליהי יצרו חומר מהפכני של תאים סולאריים עם עד 190% יעילות קוונטית חיצונית, דוחף מעבר למגבלות היעילות המקובלות ומציג הבטחה גדולה לשיפור מערכות אנרגיה סולארית עתידיות. נדרש פיתוח נוסף ליישום מעשי, הנתמך על ידי מענק של משרד האנרגיה האמריקאי.
הוא מראה פוטנציאל גדול לקידום הפיתוח של תאים סולאריים יעילים מהדור הבא, החיוניים לעמידה בדרישות האנרגיה העולמיות.
צוות מאוניברסיטת ליהי יצר חומר שיכול לשפר משמעותית את היעילות של פאנלים סולאריים.
אב טיפוס המשתמש בחומר כשכבה הפעילה בתא סולארי מציג ספיגה פוטו-וולטאית ממוצעת של 80%, קצב ייצור גבוה של נשאים פוטו-אקסcited ויעילות קוונטית חיצונית (EQE) עד 190% חסר תקדים – מדד העולה בהרבה על מגבלת היעילות התיאורטית של Shockley-Queisser לחומרים מבוססי סיליקון ודוחפת את תחום החומרים הקוונטיים לפוטו-וולטאים לגבהים חדשים.
Chindeu Ekuma. קרדיט: אוניברסיטת ליהי
"עבודה זו מייצגת קפיצת מדרגה משמעותית בהבנה ובפיתוח שלנו של פתרונות אנרגיה בת קיימא, תוך הדגשת גישות חדשניות שיכולות להגדיר מחדש את יעילות האנרגיה הסולארית והנגישות בעתיד הקרוב", אמר Chinedu Ekuma, פרופסור לפיזיקה, שפרסם מאמר על הפיתוח של החומר עם הדוקטורנט של ליהי, סריהארי קסטואר בכתב העת התקדמות המדע.
מאפייני חומר מתקדמים
זינוק היעילות של החומר מיוחס בעיקר ל"מצבי פס הביניים" הייחודיים שלו, רמות אנרגיה ספציפיות הממוקמות בתוך המבנה האלקטרוני של החומר באופן שהופך אותן לאידיאליות להמרת אנרגיה סולארית.
למצבים אלו יש רמות אנרגיה בתוך פערי תת-הפס האופטימליים – טווחי אנרגיה שבהם החומר יכול לספוג ביעילות את אור השמש ולייצר נושאי מטען – בסביבות 0.78 ו-1.26 וולט אלקטרונים.
בנוסף, החומר מתפקד טוב במיוחד עם רמות ספיגה גבוהות באזורי האינפרא אדום והנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי.
סכימה של תא השמש בעל הסרט הדק עם CuxGeSe/SnS כשכבה הפעילה. קרדיט: Ekuma Lab / Lehigh University
בתאים סולאריים מסורתיים, ה-EQE המקסימלי הוא 100%, המייצג את היצירה והאיסוף של אלקטרון אחד עבור כל אחד מהם. פוטון נספג מאור השמש. עם זאת, כמה חומרים ותצורות מתקדמים שפותחו במהלך השנים האחרונות הוכיחו את היכולת ליצור ולאסוף יותר מאלקטרון אחד מפוטונים עתירי אנרגיה, המייצגים EQE של למעלה מ-100%.
סריהארי קסטואר, אוניברסיטת ליהי. קרדיט: אוניברסיטת ליהי
בעוד שחומרים מסוג Multiple Exciton Generation (MEG) עדיין לא ממוסחרים באופן נרחב, יש בהם פוטנציאל להגביר במידה ניכרת את היעילות של מערכות אנרגיה סולארית. בחומר שפותח ב-Lehigh, מצבי פס הביניים מאפשרים לכידת אנרגיית פוטון שאבדה על ידי תאים סולאריים מסורתיים, לרבות באמצעות השתקפות וייצור חום.
פיתוח חומר ופוטנציאל
החוקרים פיתחו את החומר החדש על ידי ניצול "פערים ואן דר ואלס", פערים קטנים מבחינה אטומית בין חומרים דו-ממדיים שכבות. פערים אלה יכולים להגביל מולקולות או יונים, ומדעני חומרים נוהגים להשתמש בהם כדי להכניס, או "לשלב" אלמנטים אחרים כדי לכוון את תכונות החומר.
כדי לפתח את החומר החדש שלהם, הכניסו חוקרי Lehigh אטומים של נחושת אפס ערכית בין שכבות של חומר דו-ממדי עשוי גרמניום סלניד (GeSe) ודיל גופרתי (SnS).
Ekuma, מומחה לפיזיקת חומר מעובה חישובית, פיתח את אב הטיפוס כהוכחה לקונספט לאחר שמודלים ממוחשבים נרחבים של המערכת הוכיחו הבטחה תיאורטית.
"התגובה המהירה והיעילות המשופרת שלו מצביעים על הפוטנציאל של Cu-intercalated GeSe/SnS כחומר קוונטי לשימוש ביישומים פוטו-וולטאיים מתקדמים, המציע שדרה לשיפורי יעילות בהמרת אנרגיה סולארית", אמר. "זהו מועמד מבטיח לפיתוח של תאים סולאריים יעילים מהדור הבא, שימלאו תפקיד מכריע במתן מענה לצרכי האנרגיה העולמיים".
למרות ששילוב החומר הקוונטי החדש שתוכנן במערכות אנרגיה סולארית נוכחיות ידרוש מחקר ופיתוח נוספים, Ekuma מציינת שהטכניקה הניסיונית המשמשת ליצירת חומרים אלה כבר מתקדמת מאוד. מדענים שלטו במשך הזמן בשיטה שמחדירה במדויק אטומים, יונים ומולקולות לחומרים.
המחקר מומן בחלקו על ידי מענק ממשרד האנרגיה האמריקאי.
