里哈伊大学的研究人员开发了一种材料，展示了大幅提高太阳能电池板效率的潜力。
使用该材料作为太阳能电池活性层的原型表现出80%的平均光伏吸收率、高光生载流子生成率以及高达前所未有的190%的外量子效率(EQE)——这一指标远远超过了突破了硅基材料的肖克利-奎瑟理论效率极限，并将光伏量子材料领域推向了新的高度。
“这项工作代表了我们对可持续能源解决方案的理解和开发的重大飞跃，突出了可以在不久的将来重新定义太阳能效率和可及性的创新方法，”发表了一篇关于该开发的论文的物理学教授ChineduEkuma说。与理海大学博士生SrihariKastuar一起在《科学进展》杂志上发表了该材料。
该材料效率的飞跃很大程度上归因于其独特的“中间能带态”，即位于材料电子结构内的特定能级，使其成为太阳能转换的理想选择。
这些态的能级处于最佳子带隙(材料可以有效吸收阳光并产生电荷载流子的能量范围)内，约为0.78和1.26电子伏特。
此外，该材料在电磁波谱的红外和可见光区域具有高吸收水平，表现尤其出色。
在传统太阳能电池中，最大EQE为100%，表示从阳光中吸收的每个光子产生并收集一个电子。然而，过去几年开发的一些先进材料和结构已经证明能够从高能光子中产生和收集多个电子，EQE超过100%。
虽然这种多激子发生(MEG)材料尚未广泛商业化，但它们具有极大提高太阳能系统效率的潜力。在理海大学开发的材料中，中间能带态能够捕获传统太阳能电池损失的光子能量，包括通过反射和产生热量而损失的光子能量。
研究人员利用“范德华间隙”(层状二维材料之间的原子级小间隙)开发了这种新型材料。这些间隙可以限制分子或离子，材料科学家通常使用它们来插入或“插入”其他元素来调整材料特性。
为了开发这种新型材料，理海大学的研究人员将零价铜原子插入由硒化锗(GeSe)和硫化锡(SnS)制成的二维材料层之间。
Ekuma是计算凝聚态物理学专家，在系统的广泛计算机建模证明了理论前景后，开发了原型作为概念证明。
他说：“其快速响应和增强的效率强烈表明了铜插层GeSe/SnS作为量子材料用于先进光伏应用的潜力，为提高太阳能转换效率提供了途径。”“它是开发下一代高效太阳能电池的有前途的候选者，它将在满足全球能源需求方面发挥至关重要的作用。”
尽管将新设计的量子材料集成到当前的太阳能系统中还需要进一步的研究和开发，但Ekuma指出，用于制造这些材料的实验技术已经非常先进。随着时间的推移，科学家们已经掌握了一种将原子、离子和分子精确插入材料中的方法。