EUA desenvolvem novo material de célula fotovoltaica quântica com taxa média de absorção fotovoltaica de 80 por cento

De acordo com relatos da mídia estrangeira, os pesquisadores da Universidade Lehigh dos Estados Unidos (Universidade Lehigh), em um relatório de pesquisa publicado recentemente, afirmaram que desenvolveram um novo material absorvente de célula fotovoltaica de película fina, supostamente a taxa média de absorção fotovoltaica deste material é de 80%, seu eficiência quântica externa (EQE) de 190%.

A eficiência quântica externa (EQE) é a razão entre o número de elétrons coletados por uma célula fotovoltaica e o número de fótons incidentes. Ele define a capacidade de uma célula fotovoltaica de converter fótons em corrente elétrica. Chinedu Ekuma, um dos principais autores do estudo, disse em comunicado: “Em células fotovoltaicas convencionais, a maior eficiência quântica externa (EQE é 100 por cento, o que representa a produção e coleta de um elétron para cada fóton absorvido pela luz solar). ."

Em um artigo publicado na revista Science Advances intitulado "Estados de banda intermediária quimicamente sintonizados de materiais quânticos CuxGeSe/SnS atomicamente espessos para aplicações fotovoltaicas", os pesquisadores explicam que o novo material quântico pode ser uma combinação ideal para células fotovoltaicas de banda intermediária (IBSCs). .

Tais células fotovoltaicas têm potencial para exceder o limite Shockley-Quayser (limite SQ) – a eficiência teórica máxima que pode ser alcançada por uma célula fotovoltaica com uma única junção pn. É calculado examinando a quantidade de energia elétrica extraída de cada fóton incidente.

Os pesquisadores explicam: "O rápido aumento na eficiência deste material se deve em grande parte aos seus 'estados de banda intermediária' únicos, níveis de energia específicos localizados dentro da estrutura eletrônica do material que os tornam ideais para conversão fotovoltaica. Os níveis de energia desses estados estão dentro o gap ideal de subbanda - a faixa de energia na qual o material pode absorver a luz solar com eficiência e gerar portadores de carga."

O novo material é um material van der Waals (vdW) bidimensional, o que significa que possui uma estrutura plana cristalina mantida unida por ligações iônicas. Consiste em uma heteroestrutura de germânio (Ge), selênio (Se) e sulfeto de estanho (Sns) com átomos de cobre de valência zero (Cu) inseridos nas camadas do material.

O material quântico CuxGeSe/SnS tem um intervalo de banda de energia intermediário entre 00,78 eV e 1,26 eV. Aproveitando isso, os pesquisadores projetaram e modelaram para simular uma célula fotovoltaica de película fina usando o material como camada ativa.

Nesta modelagem, a célula fotovoltaica usa um substrato de óxido de índio e estanho (ITO), uma camada de transporte de elétrons (ETL) baseada em óxido de zinco (ZnO), uma camada absorvedora de CuxGeSe/SnS e contatos de ouro (Au). O pesquisador júnior observou: "Em nosso projeto, as espessuras de GeSe e SnS em nível atômico são empilhadas verticalmente, contribuindo para a fácil integração da estrutura híbrida por meio de interações de van der Waals."

Os resultados da modelagem mostram que esta célula fotovoltaica tem uma eficiência quântica externa (EQE) de 110% ~ 190%. Os pesquisadores também descobriram que a atividade óptica da célula fotovoltaica aumentou na faixa de comprimento de onda de 600 nm a 1200 nm medindo a espessura do absorvedor.

Em seu artigo, os pesquisadores concluíram: “A resposta rápida e o aumento da eficiência deste material sugerem fortemente o potencial do GeSe/SnS inserido com cobre como um material quântico para aplicações fotovoltaicas avançadas, fornecendo um novo caminho para melhorar a eficiência da conversão fotovoltaica. "

Olhando para o futuro, os investigadores dizem que precisam de realizar novas pesquisas para identificar uma forma prática de incorporar este novo material nas células fotovoltaicas. Porém, eles também ressaltam que as técnicas experimentais utilizadas para fabricar esses materiais já estão muito avançadas.