مواد و ساخت پیشرفته

محققان ماده‌ای ساخته‌اند که پتانسیل افزایش چشمگیر کارایی پنل‌های خورشیدی را دارد. نمونه اولیه از این ماده به عنوان لایه فعال در یک سلول خورشیدی استفاده شد و میانگین جذب فتوولتائیک 80٪، نرخ تولید بالای حامل‌های نورتحریک و بازده کوانتومی خارجی تا 190٪ را نشان دارد که بی سابقه و بسیار فراتر از حد تصورات بود.

از اینرو به نظر می‌رسد نسل جدید سلول‌های خورشیدی با کارایی بسیار بالا در راه هستند و می‌توان این نوید را داد که انرژی پاک و پربازده برای دنیا در دسترس قرار خواهد گرفت. جهش کارایی این ماده عمدتاً به «حالت‌های باند میانی» متمایز آن مربوط می‌شود، سطوح انرژی خاصی که در ساختار الکترونیکی مواد قرار گرفته‌اند به گونه‌ای است که آنها را برای تبدیل انرژی خورشیدی ایده‌آل می‌کند.

این حالت‌ها دارای سطوح انرژی در شکاف‌های زیر باند بهینه حدود 0.78 و 1.26 الکترون ولت هستند (محدوده انرژی که در آن مواد می‌توانند به طور موثر نور خورشید را جذب کنند و حامل‌های بار تولید نمایند). بعلاوه، این ماده با سطوح بالای جذب در نواحی مادون قرمز و مرئی طیف الکترومغناطیسی عملکرد خوبی دارد.

در سلول های خورشیدی سنتی، حداکثر بازده کوانتومی خارجی  100 درصد است که نشان دهنده تولید و جمع آوری یک الکترون برای هر فوتون جذب شده از نور خورشید است. با این حال، برخی از مواد پیشرفته و پیکربندی‌های توسعه‌یافته در چند سال گذشته توانایی تولید و جمع‌آوری بیش از یک الکترون از فوتون‌های پرانرژی را نشان داده‌اند که نشان‌دهنده بازده کوانتومی خارجی بیش از 100 درصد است.

محققان این ماده جدید را با بهره‌گیری از «شکاف‌های واندروالس»، شکاف‌های کوچک اتمی بین مواد دو بعدی لایه‌ای، توسعه دادند. این شکاف‌ها می‌توانند مولکول‌ها یا یون‌ها را محدود کنند و دانشمندان مواد معمولاً از آنها برای وارد کردن یا «درهم کردن» عناصر دیگر برای تنظیم خواص مواد استفاده می‌کنند.

این محققان برای توسعه این ماده جدید، اتم‌های مس صفر ظرفیتی را بین لایه‌های یک ماده دو بعدی ساخته شده از سلنید ژرمانیوم  و سولفید قلع قرار دادند. پاسخ سریع و راندمان افزایش‌یافته آن قویاً نشان‌دهنده پتانسیل این چند ماده به عنوان یک ماده کوانتومی برای استفاده در کاربردهای فتوولتائیک پیشرفته است و راهی برای بهبود کارایی در تبدیل انرژی خورشیدی ارائه می‌کند.

منبع