Gli Stati Uniti sviluppano un nuovo materiale per celle fotovoltaiche quantistiche con un tasso medio di assorbimento fotovoltaico dell'80%

Secondo resoconti dei media stranieri, i ricercatori della Lehigh University degli Stati Uniti (Lehigh University) in un rapporto di ricerca pubblicato di recente hanno affermato di aver sviluppato un nuovo materiale assorbente per celle fotovoltaiche a film sottile, presumibilmente il tasso medio di assorbimento fotovoltaico di questo materiale è dell'80%, il suo efficienza quantistica esterna (EQE) del 190%.

L'efficienza quantica esterna (EQE) è il rapporto tra il numero di elettroni raccolti da una cella fotovoltaica e il numero di fotoni incidenti. Definisce la capacità di una cella fotovoltaica di convertire i fotoni in corrente elettrica. Chinedu Ekuma, uno degli autori principali dello studio, ha dichiarato in una dichiarazione: "Nelle celle fotovoltaiche convenzionali, la più alta efficienza quantistica esterna (EQE è del 100%, che rappresenta la produzione e la raccolta di un elettrone per ogni fotone assorbito dalla luce solare) ."

In un articolo pubblicato sulla rivista Science Advances intitolato “Stati di banda intermedia sintonizzati chimicamente di materiali quantistici CuxGeSe/SnS atomicamente spessi per applicazioni fotovoltaiche”, i ricercatori spiegano che il nuovo materiale quantistico potrebbe essere un abbinamento ideale per le celle fotovoltaiche a banda intermedia (IBSC). .

Tali celle fotovoltaiche hanno il potenziale per superare il limite Shockley-Quayser (limite SQ) - la massima efficienza teorica che può essere raggiunta da una cella fotovoltaica con una singola giunzione pn. Si calcola esaminando la quantità di energia elettrica estratta da ciascun fotone incidente.

I ricercatori spiegano: "Il rapido aumento dell'efficienza di questo materiale è in gran parte dovuto ai suoi unici 'stati di banda intermedia', livelli di energia specifici situati all'interno della struttura elettronica del materiale che li rendono ideali per la conversione fotovoltaica. I livelli di energia di questi stati sono entro il gap di sottobanda ottimale - l'intervallo di energia in cui il materiale può assorbire in modo efficiente la luce solare e generare portatori di carica."

Il nuovo materiale è un materiale bidimensionale di van der Waals (vdW), il che significa che ha una struttura planare cristallina tenuta insieme da legami ionici. È costituito da un'eterostruttura di germanio (Ge), selenio (Se) e solfuro di stagno (Sns) con atomi di rame zero-valente (Cu) inseriti negli strati del materiale.

Il materiale quantistico CuxGeSe/SnS ha un gap di banda energetica intermedia compreso tra 0,78 eV e 1,26 eV. Approfittando di ciò, i ricercatori hanno progettato e modellato per simulare una cella fotovoltaica a film sottile utilizzando il materiale come strato attivo.

In questo modello, la cella fotovoltaica utilizza un substrato di ossido di indio-stagno (ITO), uno strato di trasporto degli elettroni (ETL) basato su ossido di zinco (ZnO), uno strato assorbente CuxGeSe/SnS e contatti in oro (Au). Il ricercatore junior ha osservato: "Nel nostro progetto, gli spessori a livello atomico di GeSe e SnS sono impilati verticalmente, contribuendo alla facile integrazione della struttura ibrida attraverso le interazioni di van der Waals".

I risultati del modello mostrano che questa cella fotovoltaica ha un'efficienza quantica esterna (EQE) del 110% ~ 190%. I ricercatori hanno anche scoperto che l'attività ottica della cella fotovoltaica aumenta nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 600 nm e 1200 nm misurando lo spessore dell'assorbitore.

Nel loro articolo, i ricercatori hanno concluso: "La risposta rapida e la maggiore efficienza di questo materiale suggeriscono fortemente il potenziale del GeSe/SnS inserito in rame come materiale quantistico per applicazioni fotovoltaiche avanzate, fornendo una nuova strada per migliorare l'efficienza della conversione fotovoltaica. "

Guardando al futuro, i ricercatori affermano che è necessario condurre nuove ricerche per identificare un modo pratico per incorporare questo nuovo materiale nelle celle fotovoltaiche. Tuttavia, sottolineano anche che le tecniche sperimentali utilizzate per fabbricare questi materiali sono già molto avanzate.