افزایش ۱۹۰ درصدی بازدهی سلول‌های خورشیدی با مواد کوانتومی جدید

به نقل از آی‌ای، نوآوری‌های مداوم برای بهبود بهره‌وری دستگاه‌های مولد انرژی‌های تجدیدپذیر، به ویژه در تامین نیازهای جهانی انرژی بسیار مهم شده است.

استفاده از مواد کوانتومی برای نجات

تیم تحقیقاتی دانشگاه لیهای نمونه اولیه‌ای را با استفاده از یک ماده کوانتومی به عنوان لایه فعال در یک سلول خورشیدی معرفی کرده است.

این ماده، جذب فتوولتائیک ۸۰ درصدی و بازده کوانتومی خارجی تا ۱۹۰ درصدی را نشان داده است. این شاهکاری قابل توجه است، زیرا از حد نظری تعیین شده برای سلول‌های خورشیدی سنتی مبتنی بر سیلیکون فراتر رفته است.

چیندو اکوما استاد فیزیک در دانشگاه لیهای و نویسنده این مقاله تحقیقاتی در بیانیه‌ای گفت: این کار نشان‌دهنده یک جهش رو به جلو در درک و توسعه راه‌حل‌های انرژی پایدار است. برجسته کردن رویکردهای نوآورانه‌ای که می‌توانند کارایی انرژی خورشیدی و دسترسی را در آینده نزدیک بازتعریف کنند.

بهبود کارایی قابل توجه این ماده به ویژگی منحصر به فردی به نام «حالت‌های باند متوسط» خلاصه می‌شود. این حالت‌های باند میانی به سطوح انرژی خاصی در ساختار الکترونیکی ماده اشاره دارد که برای تبدیل نور به انرژی ایده‌آل است.

در این ماده جدید، حالت‌های باند میانی امکان جذب انرژی فوتون از دست رفته توسط سلول‌های خورشیدی سنتی را فراهم می‌کنند.

در حالی که سلول‌های سنتی پربازده انرژی فوتون را از طریق بازتاب و گرما از دست می‌دهند، این تیم از شکاف‌های واندروالس که شکاف‌های کوچک اتمی بین مواد لایه‌ای دوبعدی است، استفاده کردند تا بر این محدودیت غلبه کنند. آنها اتم‌های مس صفر ظرفیتی را بین لایه‌های یک ماده دو بعدی ساخته شده از سلنید ژرمانیوم و سولفید قلع قرار دادند.

در واقع پژوهشگران برای کارآمدتر کردن آن، اتم‌های مس صفر ظرفیتی را در این شکاف‌ها وارد کردند تا کارایی سلول خورشیدی را افزایش دهند.

یک نمونه اولیه پیشرفته

پژوهشگران پس از مدل‌سازی رایانه‌ای گسترده این سیستم، سرانجام یک نمونه اولیه را توسعه دادند.

اکوما می‌گوید: واکنش سریع و بازدهی افزایش‌یافته آن نشان‌دهنده پتانسیل این ماده موسوم به GeSe/SnS به عنوان یک ماده کوانتومی برای استفاده در کاربردهای فتوولتائیک پیشرفته است و راهی برای بهبود کارایی در تبدیل انرژی خورشیدی ارائه می‌کند.

به گفته اکوما، این ماده یک نامزد امیدوارکننده برای توسعه نسل بعدی سلول‌های خورشیدی با کارایی بالاست.

گنجاندن این ماده جدید در سیستم‌های مولد انرژی خورشیدی موجود، به تلاش‌های تحقیق و توسعه بیشتری نیاز دارد. با این حال اکوما تاکید می‌کند که تکنیک آزمایشی مورد استفاده برای ایجاد این مواد در حال حاضر بسیار پیشرفته است. دانشمندان روشی را یافته‌اند که اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها را با دقت وارد مواد می‌کنند.

طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی، صفحات خورشیدی در سال ۲۰۲۳ به تنهایی سه چهارم ظرفیت‌های تجدیدپذیر اضافه شده در سراسر جهان را به خود اختصاص دادند.

در سال ۲۰۲۲، تولید صفحات خورشیدی تا ۲۶ درصد افزایش یافت و ظرفیت تولید آن به ۱۳۰۰ تراوات ساعت رسید. این بزرگترین رشد مطلق یک نسل از تمام فناوری‌های تجدیدپذیر را در سال ۲۰۲۲ نشان داد و برای اولین بار در تاریخ از تولید انرژی از باد پیشی گرفت.

تحقیقات این تیم تحقیقاتی با کمک مالی وزارت انرژی ایالات متحده تامین شد.

جزئیات این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.