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新材料大幅提升太陽(yáng)能電池量子效率

發(fā)布時(shí)間:2024-4-17來(lái)源:青島市科技局點(diǎn)擊:返回列表

 

以新材料作為活性層的薄膜太陽(yáng)能電池示意圖。圖片來(lái)源:理海大學(xué)

 
科技日?qǐng)?bào)北京4月10日電 (記者張佳欣)據(jù)最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志報(bào)道,美國(guó)理海大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種新材料,可大幅提高太陽(yáng)能電池板效率。使用該材料作為太陽(yáng)能電池活性層的原型表現(xiàn)出80%的平均光伏吸收率、高光生載流子生成率以及高達(dá)190%的外量子效率(EQE)。這一指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了突破硅基材料的肖克利-奎瑟理論效率極限,并將光伏量子材料領(lǐng)域推向新高度。
 
研究人員表示,這項(xiàng)工作代表著在理解和開(kāi)發(fā)可持續(xù)能源解決方案的一次重大飛躍。未來(lái),這種創(chuàng)新方法將重新定義太陽(yáng)能的效率和可及性。
 
該材料效率的提升很大程度上歸因于獨(dú)特的“中間能帶態(tài)”,即位于材料電子結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定能級(jí)。這使其成為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的理想選擇。
 
這些態(tài)的能級(jí)處于最佳子帶隙內(nèi)(材料可有效吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生載流子的能量范圍),約為0.78至1.26電子伏特。此外,該材料在電磁波譜的紅外和可見(jiàn)光區(qū)域具有高吸收水平。
 
在傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池中,最大EQE為100%,代表從太陽(yáng)光吸收的每個(gè)光子產(chǎn)生并收集一個(gè)電子。然而,過(guò)去幾年開(kāi)發(fā)的一些先進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明能夠從高能光子中產(chǎn)生和收集多個(gè)電子,也就是說(shuō)EQE可以超過(guò)100%。雖然這種多重激子產(chǎn)生材料尚未廣泛商業(yè)化,但它們具有極大提高太陽(yáng)能系統(tǒng)效率的潛力。
 
在新材料中,“中間能帶態(tài)”能夠捕獲傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池失去的光子能量。研究人員利用“范德華間隙”,即層狀二維材料之間的原子級(jí)小間隙,開(kāi)發(fā)了這種新型材料。這些間隙可以限制分子或離子,材料科學(xué)家通常使用它們來(lái)插入或嵌入其他元素,以調(diào)整材料特性。
 
為了開(kāi)發(fā)新材料,研究人員將零價(jià)銅原子插入到由硒化鍺和硫化錫組成的二維材料層之間。隨后,他們開(kāi)發(fā)出可作為概念證明的原型。結(jié)果發(fā)現(xiàn),其快速響應(yīng)和提高效率有力地證明了銅插層作為量子材料在光伏應(yīng)用中的潛力,這為提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率提供了一條新途徑。
 

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