リーハイ大学の研究者は、ソーラーパネルの効率を大幅に向上させる可能性を実証する材料を開発しました。

この材料を太陽電池の活性層として使用したプロトタイプは、平均 80% の光起電力吸収、光励起キャリアの高い生成率、および外部量子効率(EQE) は前例のない最大 190% に達します。これは、シリコンベース材料の理論上のショックレー クワイサー効率限界をはるかに超え、太陽光発電用の量子材料の分野を新たな高みに押し上げます。

「この研究は、持続可能なエネルギーソリューションの理解と開発における大きな進歩を表しており、近い将来に太陽エネルギーの効率とアクセスしやすさを再定義する可能性のある革新的なアプローチを強調しています」と、物理学教授のチネドゥエクマは述べました。紙リーハイ博士課程の学生スリハリ・カスチュア氏との資料の開発についてジャーナルに掲載科学は進歩します。

この材料の効率の飛躍は主に、その特有の「中間バンド状態」に起因します。エネルギーレベルこれらは、太陽エネルギー変換に理想的な方法で材料の電子構造内に配置されています。

これらの状態は、最適なサブバンド ギャップ内のエネルギー レベル、つまり材料が太陽光を効率的に吸収し、約 0.78 ～ 1.26 電子ボルトの電荷キャリアを生成できるエネルギー範囲内にあります。

さらに、この材料は、電磁スペクトルの赤外および可視領域における高レベルの吸収により特に優れた性能を発揮します。

従来の太陽電池では、最大 EQE は 100% であり、太陽光から吸収される光子ごとに 1 つの電子が生成および収集されることを表します。ただし、一部の先端材料過去数年間に開発された構成は、高エネルギー光子から複数の電子を生成および収集する能力を実証しており、これは 100% を超える EQE を表します。

このような多重励起子生成 (MEG) 材料はまだ広く商業化されていませんが、太陽光発電システムの効率を大幅に向上させる可能性を秘めています。リーハイが開発した材料では、中間バンド状態により、反射や熱の生成などを通じて従来の太陽電池によって失われる光子エネルギーの捕捉が可能になります。

研究者らが開発したのは、斬新な素材層状の二次元材料間の原子的に小さなギャップである「ファンデルワールスギャップ」を利用することによって。これらのギャップは分子やイオンを閉じ込める可能性があり、材料科学者は通常、これらのギャップを使用して他の元素を挿入または「インターカレート」して材料特性を調整します。

新しい材料を開発するために、リーハイの研究者らは、セレン化ゲルマニウム (GeSe) と硫化スズ (SnS) で作られた二次元材料の層の間にゼロ価銅の原子を挿入しました。

計算物性物理学の専門家であるエクマ氏は、システムの大規模なコンピューター モデリングにより理論的な可能性が実証された後、概念実証としてプロトタイプを開発しました。

同氏は、「その迅速な応答と効率の向上は、高度な太陽光発電用途で使用される量子材料としてのCuインターカレートGeSe/SnSの可能性を強く示しており、太陽エネルギー変換の効率向上への道を提供する」と述べた。「これは次世代の高効率太陽電池開発の有望な候補であり、世界的なエネルギー需要に対処する上で重要な役割を果たすことになるでしょう。」

新たに設計された量子材料を現在の太陽エネルギーシステムに統合するにはさらなる研究開発が必要だが、これらの材料の作成に使用される実験技術はすでに高度に進んでいると江間氏は指摘する。科学者は時間をかけて、原子、イオン、分子を材料に正確に挿入する方法を習得しました。