ארה"ב מפתחת חומר תאים פוטו-וולטאיים קוונטי חדש עם שיעור קליטה פוטו-וולטאי ממוצע של 80 אחוז

על פי דיווחים בתקשורת זרה, חוקרי אוניברסיטת ליהי של ארצות הברית (אוניברסיטת ליהי) בדו"ח מחקר שפורסם לאחרונה טענו שהם פיתחו חומר חדש לספיגה של תא פוטו-וולטאי סרט דק, לכאורה שיעור הספיגה הפוטו-וולטאית הממוצע של חומר זה הוא 80%, יעילות קוונטית חיצונית (EQE) של 190%.

היעילות הקוונטית החיצונית (EQE) היא היחס בין מספר האלקטרונים שנאספים על ידי תא PV למספר הפוטונים המתרחשים. הוא מגדיר את היכולת של תא PV להמיר פוטונים לזרם חשמלי. Chinedu Ekuma, אחד הכותבים הראשיים של המחקר, אמר בהצהרה, "בתאים פוטו-וולטאיים קונבנציונליים, היעילות הקוונטית החיצונית הגבוהה ביותר (EQE היא 100 אחוז, המייצגת ייצור ואיסוף של אלקטרון אחד עבור כל פוטון שנקלט מאור השמש ."

במאמר שפורסם בכתב העת Science Advances שכותרתו "מצבי פס ביניים מכוונים כימית של חומרים קוונטיים עבים אטומיים של CuxGeSe/SnS ליישומים פוטו-וולטאיים", החוקרים מסבירים שהחומר הקוונטי החדש יכול להיות התאמה אידיאלית לתאים פוטו-וולטאיים בפס ביניים (IBSCs) .

לתאים פוטו-וולטאיים כאלה יש פוטנציאל לחרוג ממגבלת Shockley-Quayser (SQ limit) - היעילות התיאורטית המקסימלית שניתן להשיג על ידי תא פוטו-וולטאי עם צומת pn יחיד. זה מחושב על ידי בחינת כמות האנרגיה החשמלית המופקת מכל פוטון פוגע.

החוקרים מסבירים: "העלייה המהירה ביעילות של חומר זה נובעת במידה רבה מ'מצבי פס הביניים' הייחודיים שלו, רמות אנרגיה ספציפיות הממוקמות בתוך המבנה האלקטרוני של החומר שהופכות אותם לאידיאליים להמרה פוטו-וולטאית. רמות האנרגיה של מצבים אלו נמצאות בתוך הפער האופטימלי של תת-הפס - טווח האנרגיה שבו החומר יכול לספוג ביעילות את אור השמש וליצור נושאי מטען."

החומר החדש הוא חומר דו מימדי ואן דר וואלס (vdW), כלומר יש לו מבנה מישורי גבישי המוחזק יחד בקשרים יוניים. הוא מורכב ממבנה הטרו של גרמניום (Ge), סלניום (Se) ודיל גופרתי (Sns) עם אטומי נחושת אפס ערכיים (Cu) מוכנסים בשכבות החומר.

לחומר הקוונטי CuxGeSe/SnS יש פער פס אנרגיה ביניים בין 0.78 eV ל-1.26 eV. תוך ניצול היתרונות של זה, החוקרים תכננו ועיצבו לדמות תא פוטו-וולטאי בסרט דק תוך שימוש בחומר כשכבה הפעילה.

במודל זה, תא ה-PV משתמש במצע אינדיום בדיל אוקסיד (ITO), בשכבת תחמוצת אבץ (ZnO) מבוססת על הובלת אלקטרונים (ETL), בשכבת סופגת CuxGeSe/SnS ומגעי זהב (Au). הצעיר המחקר ציין, "בתכנון שלנו, עוביים ברמה האטומית של GeSe ו-SnS מוערמים אנכית, ותורמים לאינטגרציה קלה של המבנה ההיברידי באמצעות אינטראקציות ואן דר ואלס."

תוצאות המודלים מראות שלתא PV זה יש יעילות קוונטית חיצונית (EQE) של 110% ~ 190%. החוקרים מצאו גם שהפעילות האופטית של התא הפוטו-וולטאי גדלה בטווח אורך הגל של 600 ננומטר עד 1200 ננומטר על ידי מדידת עובי הבולם.

במאמרם סיכמו החוקרים, "התגובה המהירה והיעילות המוגברת של חומר זה מצביעות על הפוטנציאל של GeSe/SnS המוכנסים נחושת כחומר קוונטי ליישומים פוטו-וולטאיים מתקדמים, מה שמספק שדרה חדשה לשיפור היעילות של המרה פוטו-וולטאית. "

במבט קדימה, החוקרים אומרים שהם צריכים לבצע מחקר חדש כדי לזהות דרך מעשית להטמיע את החומר החדש הזה בתאי PV. עם זאת, הם גם מציינים שהטכניקות הניסויות המשמשות לייצור חומרים אלה כבר מתקדמות מאוד.