Các nhà nghiên cứu từ Đại học Lehigh đã phát triển một vật liệu chứng minh tiềm năng tăng đáng kể hiệu quả của các tấm pin mặt trời.

Một nguyên mẫu sử dụng vật liệu này làm lớp hoạt động trong pin mặt trời thể hiện sự hấp thụ quang điện trung bình là 80%, tỷ lệ tạo ra chất mang quang kích thích cao và hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) lên tới 190% chưa từng có – một biện pháp vượt xa giới hạn hiệu quả lý thuyết Shockley-Queisser đối với vật liệu dựa trên silicon và đẩy lĩnh vực vật liệu lượng tử cho quang điện lên một tầm cao mới.

“Công trình này đại diện cho một bước nhảy vọt đáng kể trong sự hiểu biết và phát triển các giải pháp năng lượng bền vững của chúng tôi, làm nổi bật các phương pháp tiếp cận sáng tạo có thể xác định lại hiệu quả và khả năng tiếp cận năng lượng mặt trời trong tương lai gần”, Chinedu Ekuma, giáo sư vật lý, người đã xuất bản một bài báo về sự phát triển của vật liệu với nghiên cứu sinh tiến sĩ Lehigh Srihari Kastuar trên tạp chí Science Advances.

Bước nhảy vọt hiệu quả của vật liệu phần lớn là do “trạng thái dải trung gian” đặc biệt của nó, các mức năng lượng cụ thể được định vị trong cấu trúc điện tử của vật liệu theo cách khiến chúng trở nên lý tưởng để chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Các trạng thái này có mức năng lượng trong các khoảng trống băng con tối ưu – phạm vi năng lượng nơi vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả và tạo ra các chất mang điện – khoảng 0,78 và 1,26 electron volt.

Ngoài ra, vật liệu hoạt động đặc biệt tốt với mức độ hấp thụ cao trong các vùng hồng ngoại và nhìn thấy được của phổ điện từ.

Trong pin mặt trời truyền thống, EQE tối đa là 100%, đại diện cho việc tạo ra và thu thập một electron cho mỗi photon hấp thụ từ ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, một số vật liệu và cấu hình tiên tiến được phát triển trong vài năm qua đã chứng minh khả năng tạo ra và thu thập nhiều hơn một electron từ các photon năng lượng cao, đại diện cho EQE trên 100%.

Mặc dù các vật liệu tạo ra nhiều exciton (MEG) như vậy vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi, nhưng chúng có tiềm năng làm tăng đáng kể hiệu quả của các hệ thống năng lượng mặt trời. Trong vật liệu do Lehigh phát triển, các trạng thái dải trung gian cho phép thu năng lượng photon bị mất bởi các tế bào mặt trời truyền thống, bao gồm thông qua phản xạ và sản xuất nhiệt.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu mới bằng cách tận dụng “khoảng trống van der Waals”, khoảng trống nhỏ về mặt nguyên tử giữa các vật liệu hai chiều phân lớp. Những khoảng trống này có thể giam giữ các phân tử hoặc ion, và các nhà khoa học vật liệu thường sử dụng chúng để chèn, hoặc “xen kẽ”, các yếu tố khác để điều chỉnh các tính chất vật liệu.

Để phát triển vật liệu mới của họ, các nhà nghiên cứu Lehigh đã chèn các nguyên tử đồng không hóa trị giữa các lớp vật liệu hai chiều làm từ gecmani selenide (GeSe) và thiếc sunfua (SnS).

Ekuma, một chuyên gia về vật lý vật chất ngưng tụ tính toán, đã phát triển nguyên mẫu như một bằng chứng về khái niệm sau khi mô hình máy tính mở rộng của hệ thống chứng minh lời hứa lý thuyết.

“Phản ứng nhanh chóng và hiệu quả nâng cao của nó cho thấy tiềm năng của GeSe / SnS xen kẽ Cu như một vật liệu lượng tử để sử dụng trong các ứng dụng quang điện tiên tiến, cung cấp một con đường để cải thiện hiệu quả trong chuyển đổi năng lượng mặt trời”, ông nói. “Đây là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho sự phát triển của pin mặt trời thế hệ tiếp theo, hiệu quả cao, sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu năng lượng toàn cầu.”

Mặc dù việc tích hợp vật liệu lượng tử mới được thiết kế vào các hệ thống năng lượng mặt trời hiện tại sẽ cần nghiên cứu và phát triển thêm, Ekuma chỉ ra rằng kỹ thuật thử nghiệm được sử dụng để tạo ra các vật liệu này đã rất tiên tiến. Theo thời gian, các nhà khoa học đã thành thạo một phương pháp chèn chính xác các nguyên tử, ion và phân tử vào vật liệu.