美國研發(fā)新型量子光伏電池材料平均光伏吸收率達80%

據(jù)外媒報道，美國利哈伊大學(xué)(Lehigh University)的研究人員在日前發(fā)表的一份研究報告宣稱，他們開發(fā)了一種新的薄膜光伏電池吸收材料，據(jù)稱這種材料的平均光伏吸收率為80%，其外量子效率(EQE)為190%。

外量子效率(EQE)是光伏電池收集的電子數(shù)量與入射的光子數(shù)量的比率。它定義了光伏電池將光子轉(zhuǎn)化為電流的能力。研究報告的主要作者之一Chinedu Ekuma在一份聲明中說：“在傳統(tǒng)的光伏電池中，最高的外量子效率(EQE為100%，這代表從陽光中吸收的每個光子產(chǎn)生和收集一個電子?！?/span>

在發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的主題為《用于光伏應(yīng)用的原子級厚度CuxGeSe/SnS量子材料的化學(xué)調(diào)諧中間帶態(tài)》論文中，研究人員解釋說，這種新的量子材料可能是中間帶光伏電池(IBSC)的理想匹配。

這種光伏電池有可能超過肖克利-奎伊瑟極限(S-Q limit)——具有單個p-n結(jié)的光伏電池可以達到的最大理論效率。它是通過檢查每個入射光子提取的電能量來計算的。

研究人員解釋說:“這種材料的效率快速提高在很大程度上歸功于它獨特的‘中間帶態(tài)’， 即位于材料電子結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定能級，使它們成為光伏轉(zhuǎn)換的理想選擇。這些狀態(tài)的能級在最佳子帶間隙內(nèi)——即材料可以有效吸收陽光并產(chǎn)生電荷載流子的能量范圍?！?/span>

這種新材料是一種二維范德華(vdW)材料，這意味著它具有由離子鍵結(jié)合在一起的晶體平面結(jié)構(gòu)。它由鍺(Ge)、硒(Se)和硫化錫(Sns)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，并將零價銅(Cu)原子插入在材料層中。

CuxGeSe/SnS量子材料具有介于0.78eV和1.26eV之間的中間能帶隙。利用這一點，研究人員設(shè)計并建模仿真了一種采用該材料作為有源層的薄膜光伏電池。

在這一建模中，光伏電池采用氧化銦錫(ITO)襯底、基于氧化鋅(ZnO)的電子傳輸層(ETL)、 CuxGeSe/SnS吸收層以及金(Au)觸點。研究小人員指出，“在我們的設(shè)計中，原子級厚度的GeSe和SnS是垂直堆疊的，有助于通過范德華相互作用輕松集成混合結(jié)構(gòu)。”

建模結(jié)果表明，這種光伏電池的外量子效率(EQE)為110% ~ 190%。研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過測量吸收體的厚度，光伏電池的光學(xué)活性在600納米～1200納米的波長范圍內(nèi)增加。

研究人員在論文中總結(jié)說：“這種材料的快速響應(yīng)和效率的提高，有力表明了插銅GeSe/SnS作為量子材料在先進光伏應(yīng)用的潛力，為提高光伏轉(zhuǎn)換的效率提供了一條新的途徑?！?/span>

研究人員在展望未來時表示，他們需要進行新的研究以確定一種實用的方法，將這種新材料嵌入到光伏電池中。然而他們也指出，用于制造這些材料的實驗性技術(shù)已經(jīng)非常先進。