従来の太陽電池の最大外部量子効率 (EQE) は 100% です。セルに入射する光子ごとに、XNUMX つの光励起電子が生成されます。近年、科学者たちは、吸収した光子ごとに複数の電子を「解放」する材料を開発することで、この問題を改善しようと努めてきました。物理学者が率いるチーム チネドゥ・エクマ of リーハイ大学 米国の同社は現在、この目標を達成し、最大 190% の EQE (シリコン太陽電池のほぼ XNUMX 倍) の材料を生産しています。

研究チームは、セレン化ゲルマニウム（GeSe）と硫化スズ（SnS）の原子的に薄い層の間に銅原子を挿入することにより、新しい化合物を作成した。得られた材料の化学式は Cu です。_xGeSe/SnS、および研究者らは、いわゆるファンデルワールスギャップを利用してそれを開発しました。これらの原子的に小さなギャップは二次元材料の層の間に存在し、材料の特性を調整するために他の元素を挿入（または「挿入」）できる「ポケット」を形成します。

中間のバンドギャップ状態

リーハイの研究者らは、この材料の EQE の増加は中間バンドギャップ状態の存在によるものであると考えています。これらの異なる電子エネルギーレベルは、太陽放射の波長の広いスペクトルにわたって非常に効率的に光を吸収できるように、材料の電子構造内で発生します。新しい材料では、これらのエネルギー レベルは約 0.78 ～ 1.26 電子ボルト (eV) に存在し、材料が太陽光を効率的に吸収できる範囲内にあります。

この材料は、電磁スペクトルの赤外および可視領域で特にうまく機能し、入射光子ごとに平均してほぼ 2 つの光励起電荷キャリア (励起子として知られる準粒子に結合した電子と正孔) を生成します。 Ekuma氏によると、このような「多重励起子生成」材料は太陽電池デバイス内の活性層として機能し、その性能は基本的に励起子物理学によって左右されるという。 「この活性層は、材料内での励起子の生成と輸送を促進することにより、太陽電池の効率を高めるために極めて重要です」とエクマ氏は説明します。

実用化には更なる研究が必要

研究者らは高度な計算モデルを使用して、材料内の光活性層の厚さを最適化しました。彼らは、量子閉じ込め損失を防ぐために（いわゆる準2D限界内で）薄い状態を維持することで、そのEQEを強化できると計算しました。これは、非放射再結合として知られるプロセスを介した効率的な励起子の生成と輸送に影響を与える重要な要素であり、電子と正孔は有用な電流を生成するためにバラバラになるのではなく、再結合する時間があります、とエクマ氏は説明します。 「量子閉じ込めを維持することで、吸収された太陽光を効果的に電気エネルギーに変換し、最高効率で動作する材料の能力を維持します」と彼は言います。

ひずみは 2D 材料内の励起子の流れをガイドします

この新材料は次世代の高効率太陽電池開発の有望な候補である一方、既存の太陽エネルギーシステムに組み込む前にさらなる研究が必要であることを研究者らは認めている。 「私たちは現在、この層間挿入材料ファミリーをさらに調査し、この目的のためにさまざまな材料工学プロセスを通じてその効率を最適化しています」と江間氏は語ります。 物理学の世界.

この研究の詳細は、 科学の進歩.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/new-photovoltaic-2d-material-breaks-quantum-efficiency-record/