Herkömmliche Solarzellen haben einen maximalen externen Quantenwirkungsgrad (EQE) von 100 %: Für jedes auf die Zelle einfallende Photon erzeugen sie ein photoangeregtes Elektron. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler versucht, dies zu verbessern, indem sie Materialien entwickelt haben, die für jedes absorbierte Photon mehr als ein Elektron „freisetzen“. Ein Team unter der Leitung eines Physikers Chinedu Ekuma of Lehigh University in den USA hat dieses Ziel nun erreicht und ein Material mit einem EQE von bis zu 190 % produziert – fast doppelt so viel wie bei Silizium-Solarzellen.

Das Team stellte die neue Verbindung her, indem es Kupferatome zwischen atomar dünnen Schichten aus Germaniumselenid (GeSe) und Zinnsulfid (SnS) einfügte. Das resultierende Material hat die chemische Formel Cu_xGeSe/SnS, und die Forscher haben es entwickelt, indem sie sogenannte Van-der-Waals-Lücken ausgenutzt haben. Diese atomar kleinen Lücken bestehen zwischen Schichten zweidimensionaler Materialien und bilden „Taschen“, in die andere Elemente eingefügt (oder „interkaliert“) werden können, um die Eigenschaften des Materials anzupassen.

Zwischenzustände der Bandlücke

Die Lehigh-Forscher führen die erhöhte EQE des Materials auf das Vorhandensein dazwischenliegender Bandlückenzustände zurück. Diese unterschiedlichen elektronischen Energieniveaus entstehen innerhalb der elektronischen Struktur des Materials auf eine Weise, die es ihnen ermöglicht, Licht über ein breites Spektrum von Wellenlängen der Sonnenstrahlung sehr effizient zu absorbieren. Im neuen Material liegen diese Energieniveaus bei etwa 0.78 und 1.26 Elektronenvolt (eV), was in dem Bereich liegt, in dem das Material Sonnenlicht effizient absorbieren kann.

Das Material funktioniert besonders gut im infraroten und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und erzeugt im Durchschnitt fast zwei photoangeregte Ladungsträger (Elektronen und Löcher, die in Quasiteilchen, sogenannten Exzitonen, gebunden sind) für jedes einfallende Photon. Laut Ekuma können solche Materialien mit „mehrerer Exzitonengeneration“ als aktive Schicht in Solarzellengeräten dienen, deren Leistung im Wesentlichen von der Exzitonenphysik bestimmt wird. „Diese aktive Schicht ist entscheidend für die Steigerung der Effizienz der Solarzelle, indem sie die Erzeugung und den Transport von Exzitonen im Material erleichtert“, erklärt Ekuma.

Weitere Forschung für praktische Geräte erforderlich

Die Forscher nutzten fortschrittliche Rechenmodelle, um die Dicke der photoaktiven Schicht im Material zu optimieren. Sie berechneten, dass sein EQE verbessert werden kann, indem sichergestellt wird, dass es dünn bleibt (im sogenannten Quasi-2D-Limit), um Quanteneinschlussverluste zu verhindern. Dies ist ein Schlüsselfaktor, der die effiziente Erzeugung und den Transport von Exzitonen durch einen Prozess beeinflusst, der als strahlungslose Rekombination bekannt ist und bei dem Elektronen und Löcher Zeit haben, sich zu rekombinieren, anstatt auseinandergerissen zu werden, um nützlichen Strom zu erzeugen, erklärt Ekuma. „Durch die Aufrechterhaltung des Quanteneinschlusses bewahren wir die Fähigkeit des Materials, absorbiertes Sonnenlicht effektiv in elektrische Energie umzuwandeln und mit höchster Effizienz zu arbeiten“, sagt er.

Während das neue Material ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen der nächsten Generation ist, erkennen die Forscher an, dass weitere Forschung erforderlich ist, bevor es in bestehende Solarenergiesysteme integriert werden kann. „Wir erforschen diese Familie interkalierter Materialien nun weiter und optimieren zu diesem Zweck ihre Effizienz durch verschiedene werkstofftechnische Prozesse“, erzählt Ekuma Physik-Welt.

Die Studie ist ausführlich in Wissenschaft Fortschritte.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/