สหรัฐฯ พัฒนาวัสดุเซลล์สุริยะควอนตัมชนิดใหม่ที่มีอัตราการดูดซึมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เฉลี่ย 80 เปอร์เซ็นต์

ตามรายงานของสื่อต่างประเทศนักวิจัยของ United States Lehigh University (Lehigh University) ในรายงานการวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้อ้างว่าพวกเขาพัฒนาวัสดุดูดซับเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางใหม่ซึ่งถูกกล่าวหาว่าอัตราการดูดซับไฟฟ้าโซลาร์เซลล์โดยเฉลี่ยของวัสดุนี้คือ 80% ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) 190%

ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) คืออัตราส่วนของจำนวนอิเล็กตรอนที่รวบรวมโดยเซลล์ PV ต่อจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ กำหนดความสามารถของเซลล์ PV ในการแปลงโฟตอนเป็นกระแสไฟฟ้า Chinedu Ekuma หนึ่งในผู้เขียนหลักของการศึกษานี้ กล่าวในแถลงการณ์ว่า "ในเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกสูงสุด (EQE คือ 100 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งแสดงถึงการผลิตและการสะสมอิเล็กตรอนหนึ่งตัวสำหรับโฟตอนแต่ละตัวที่ถูกดูดซับจากแสงแดด ”

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances เรื่อง "สถานะย่านความถี่ระดับกลางที่ปรับทางเคมีของวัสดุควอนตัม CuxGeSe/SnS ที่มีความหนาเป็นอะตอมสำหรับการใช้งานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์" นักวิจัยอธิบายว่าวัสดุควอนตัมใหม่อาจเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ระดับกลาง (IBSCs) .

เซลล์แสงอาทิตย์ดังกล่าวมีศักยภาพที่จะเกินขีดจำกัด Shockley-Quayser (ขีดจำกัด SQ) ซึ่งเป็นประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดที่สามารถทำได้โดยเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีจุดเชื่อมต่อ pn เดียว คำนวณโดยการตรวจสอบปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ดึงออกมาจากโฟตอนที่ตกกระทบแต่ละโฟตอน

นักวิจัยอธิบายว่า "การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของประสิทธิภาพของวัสดุนี้ส่วนใหญ่เนื่องมาจาก 'สถานะแถบความถี่ระดับกลาง' อันเป็นเอกลักษณ์ของมัน ซึ่งเป็นระดับพลังงานเฉพาะที่อยู่ภายในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ ซึ่งทำให้วัสดุเหล่านี้เหมาะสำหรับการแปลงเซลล์แสงอาทิตย์ ระดับพลังงานของสถานะเหล่านี้อยู่ภายใน ช่องว่างแถบความถี่ย่อยที่เหมาะสมที่สุด คือช่วงพลังงานที่วัสดุสามารถดูดซับแสงแดดและสร้างตัวพาประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ"

วัสดุใหม่นี้เป็นวัสดุ van der Waals (vdW) สองมิติ ซึ่งหมายความว่ามีโครงสร้างระนาบผลึกที่ยึดติดกันด้วยพันธะไอออนิก ประกอบด้วยโครงสร้างที่แตกต่างกันของเจอร์เมเนียม (Ge), ซีลีเนียม (Se) และดีบุกซัลไฟด์ (Sns) โดยมีอะตอมของทองแดงเป็นศูนย์ (Cu) แทรกอยู่ในชั้นวัสดุ

วัสดุควอนตัม CuxGeSe/SnS มีช่องว่างแถบพลังงานระดับกลางระหว่าง 0.78 eV ถึง 1.26 eV นักวิจัยได้ออกแบบและสร้างแบบจำลองเพื่อจำลองเซลล์สุริยะแบบฟิล์มบางโดยใช้วัสดุนี้เป็นชั้นที่ใช้งานอยู่

ในการสร้างแบบจำลองนี้ เซลล์ PV ใช้ซับสเตรตอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ชั้นการขนส่งอิเล็กตรอน (ETL) ที่มีซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ชั้นตัวดูดซับ CuxGeSe/SnS และหน้าสัมผัสสีทอง (Au) นักวิจัยรุ่นน้องตั้งข้อสังเกตว่า "ในการออกแบบของเรา ความหนาระดับอะตอมของ GeSe และ SnS จะเรียงซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งมีส่วนช่วยให้บูรณาการโครงสร้างไฮบริดได้ง่ายผ่านการโต้ตอบของ van der Waals"

ผลการสร้างแบบจำลองแสดงให้เห็นว่าเซลล์ PV นี้มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) อยู่ที่ 110% ~ 190% นักวิจัยยังพบว่ากิจกรรมทางแสงของเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นในช่วงความยาวคลื่น 600 นาโนเมตรถึง 1200 นาโนเมตรโดยการวัดความหนาของตัวดูดซับ

ในรายงานของพวกเขา นักวิจัยสรุปว่า "การตอบสนองที่รวดเร็วและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของวัสดุนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงศักยภาพของ GeSe/SnS ที่ใส่ทองแดงในฐานะวัสดุควอนตัมสำหรับการใช้งานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขั้นสูง ซึ่งเป็นช่องทางใหม่ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของการแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ "

เมื่อมองไปข้างหน้า นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาจำเป็นต้องดำเนินการวิจัยใหม่เพื่อระบุวิธีการปฏิบัติจริงในการฝังวัสดุใหม่นี้ลงในเซลล์ PV อย่างไรก็ตาม พวกเขายังชี้ให้เห็นว่าเทคนิคการทดลองที่ใช้ในการผลิตวัสดุเหล่านี้มีความก้าวหน้ามากแล้ว