США розробляють новий матеріал для квантових фотоелектричних елементів із середнім коефіцієнтом поглинання фотоелектричних елементів 80 відсотків

Згідно з повідомленнями зарубіжних ЗМІ, дослідники Університету Лехай США (Lehigh University) у нещодавно опублікованому дослідницькому звіті стверджували, що вони розробили новий тонкоплівковий фотоелектричний матеріал, що поглинає матеріал, нібито середній рівень фотоелектричного поглинання цього матеріалу становить 80%, його зовнішня квантова ефективність (EQE) 190%.

Зовнішня квантова ефективність (EQE) — це відношення кількості електронів, зібраних фотоелектричною коміркою, до кількості падаючих фотонів. Він визначає здатність фотоелемента перетворювати фотони в електричний струм. Чінеду Екума, один із провідних авторів дослідження, сказав у своїй заяві: «У звичайних фотоелектричних елементах найвища зовнішня квантова ефективність (EQE становить 100 відсотків, що означає виробництво та збір одного електрона для кожного фотона, поглиненого сонячним світлом). ."

У статті, опублікованій в журналі Science Advances під назвою «Хімічно налаштовані стани проміжної зони атомарно товстих квантових матеріалів CuxGeSe/SnS для фотоелектричних застосувань», дослідники пояснюють, що новий квантовий матеріал може бути ідеальним поєднанням для фотоелектричних елементів проміжної смуги (IBSC). .

Такі фотоелементи можуть перевищити межу Шоклі-Квейзера (SQ limit) – максимальну теоретичну ефективність, яку може досягти фотоелемент з одним pn-переходом. Він розраховується шляхом дослідження кількості електричної енергії, отриманої від кожного падаючого фотона.

Дослідники пояснюють: «Швидке збільшення ефективності цього матеріалу значною мірою пояснюється його унікальними «станами проміжної смуги», специфічними рівнями енергії, розташованими в електронній структурі матеріалу, що робить їх ідеальними для фотоелектричного перетворення. Рівні енергії цих станів знаходяться в межах оптимальна заборонена зона підзони – енергетичний діапазон, у якому матеріал може ефективно поглинати сонячне світло та генерувати носії заряду».

Новий матеріал є двовимірним матеріалом Ван-дер-Ваальса (vdW), що означає, що він має кристалічну плоску структуру, що утримується разом іонними зв’язками. Він складається з гетероструктури германію (Ge), селену (Se) і сульфіду олова (Sns) з атомами нуль-валентної міді (Cu), вставленими в шари матеріалу.

Квантовий матеріал CuxGeSe/SnS має проміжну ширину забороненої зони між 0,78 еВ і 1,26 еВ. Скориставшись цим, дослідники розробили та змоделювали тонкоплівковий фотоелектричний елемент, використовуючи матеріал як активний шар.

У цьому моделюванні фотоелектрична комірка використовує підкладку з оксиду індію і олова (ITO), шар електротранспорту (ETL) на основі оксиду цинку (ZnO), поглинаючий шар CuxGeSe/SnS і золоті (Au) контакти. Молодший дослідник зазначив: «У нашому проекті товщини GeSe і SnS на атомному рівні розташовані вертикально, сприяючи легкій інтеграції гібридної структури через взаємодії Ван-дер-Ваальса».

Результати моделювання показують, що цей фотоелектричний елемент має зовнішню квантову ефективність (EQE) 110% ~ 190%. Дослідники також виявили, що оптична активність фотоелектричного елемента зросла в діапазоні довжин хвиль від 600 нм до 1200 нм шляхом вимірювання товщини поглинача.

У своїй статті дослідники дійшли висновку: «Швидка реакція та підвищена ефективність цього матеріалу переконливо вказують на потенціал GeSe/SnS із вставкою міді як квантового матеріалу для передових фотоелектричних застосувань, забезпечуючи новий шлях для підвищення ефективності фотоелектричного перетворення. "

Забігаючи вперед, дослідники кажуть, що їм потрібно провести нові дослідження, щоб визначити практичний спосіб вбудувати цей новий матеріал у фотоелектричні елементи. Однак вони також зазначають, що експериментальні методи, які використовуються для виготовлення цих матеріалів, уже дуже просунуті.