QAZAQ GREEN. АҚШ Энергетика министрлігінің қаражатына Лехай университетінің (Пенсильвания штаты) ғалымдары күн панельдеріне арнап тиімділігі жоғары материалды жасады. Әзірлеменің арқылы жаңа панельдер әрбір жұтылған жоғары энергиялы фотон үшін екі электронға дейін өндіре алады, бұл теориялық болжанған мәннен әлдеқайда жоғары, деп хабарлайды 3D News Interesting Engineering-ке сілтеме жасап.

Айта кету керек, панельдердің әдеттегі ПӘК мәні және фотоэлектрлік материалдың сыртқы кванттық тиімділігі бірдей емес. Панельге түскен кезде фотондардың бір бөлігі шағылысады, ал екінші бөлігі электрондарды қоздырудың орнына панельді қыздырады. Сол арқылы сыртқы кванттық тиімділіктің (EQE) теориялық мәні 100%-дан аспауы мүмкін, бұл Шокли-Квиссер шегін көрсетеді, ал панельдердің ПӘК мәні одан да аз. Бірақ егер ол белгілі бір шектен шыға алмаса, бұл қандай ғылым?

«Бұл жұмыс біздің тұрақты энергетикалық шешімдерді түсінуіміз бен әзірлеуімізде үлкен секіріс болып табылады, бұл жақын болашақта күн энергиясының тиімділігі мен қолжетімділігін қайта анықтай алатын инновациялық тәсілдерге баса назар аударады», — дейді Чинеду Экума (Chinedu Ekuma), физика профессоры, Science Advances журналындағы мақаланың жетекші авторы.

Қажетті материалдар үйлесімін іздеу, алдымен, компьютерде модельдеу арқылы жүргізілді. Содан кейін алынған деректер негізінде материалдың таңғажайып қасиеттерін растаған прототип жасалды. Кремний фотоэлектрлік ұяшығындағы белсенді қабат ретінде үлгі 80 % орташа фотоэлектрлік сіңіруді, фотоқозған тасымалдағыштардың жоғары генерация жылдамдығын және бұрын-соңды болмаған 190% деңгейіндегі сыртқы кванттық тиімділікті (EQE) көрсетті.

Материал тиімділігінің жоғарылауы көбінесе оның айрықша «аралық аймақ күйлерімен», материалдың электронды құрылымында күн энергиясын түрлендіруге өте ыңғайлы етіп орналастырылған энергияның ерекше деңгейлерімен түсіндіріледі. Бұл күйлерде энергия деңгейлері оңтайлы энергия диапазонында болады, онда материал күн сәулесін тиімді сіңіріп, заряд тасымалдаушыларды шығара алады — шамамен 0,78 және 1,26 эВ (электрон-вольт). Бұған қоса, материал әсіресе электрмагниттік спектрдің инфрақызыл және көрінетін аймақтарында жоғары сіңіру деңгейінде жақсы жұмыс істеді.

Дәстүрлі күн элементтерінде EQE максималды мәні 100% құрайды, бұл күн сәулесінің әрбір жұтылған фотонына бір электронның генерациясы мен жиналуына сәйкес келеді. Жаңа материал, басқа да перспективалы материалдар сияқты, жоғары энергиялы фотондардан бірнеше электронды генерациялау және жинау қабілетін көрсетті, бұл панельдердің теориялық мүмкін болатын тиімділігін екі немесе одан да көп есеге дейін арттыруға мүмкіндік береді.

Экситондарды бірнеше рет өндіретін мұндай материалдар әлі кең коммерциялық мақсатта қолданылмағанымен, олар күн энергетикасы жүйелерінің тиімділігін едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Лехай университетінің зерттеушілері әзірлеген материалда аралық аймақ күйлері дәстүрлі күн элементтері, соның ішінде шағылысу және жылу өндіру арқылы жоғалған фотондар энергиясын тұтуға мүмкіндік береді.

Зерттеушілер жаңа материалды «ван-дер-ваальс саңылауларын», қабатты, екі өлшемді материалдар арасындағы атомдық шағын бос орындарды пайдалана отырып әзірледі. Бұл бос орындар молекулаларды немесе иондарды ұстай алады, ал материалтанушылар оларды материалдың қасиеттерін реттеу үшін басқа элементтерді енгізу немесе «араластыру» үшін пайдаланады. Іс жүзінде, бұл саңылауларда ван-дер-ваальс күштері ретінде анықталған әр түрлі молекулааралық күштер жаңа материал сияқты қажетті молекулаларды немесе атомдарды мықтап ұстайды. Атап айтқанда, ғалымдар герман селениді (GeSe) мен қалайы сульфиді (SNS) арасында нөлдік валенттілік мыс атомдарын орналастырды.

«Оның жылдам жауабы мен жоғары тиімділігі алдыңғы қатарлы фотоэлектрлік шешімдерде қолдануға арналған кванттық материал ретіндегі Cu-интеркалирленген GeSe/SnS әлеуетін сенімді түрде көрсетеді, бұл күн энергиясын түрлендіру тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді, — дейді әзірлеушілер. — Бұл — жаһандық энергия қажеттіліктерін қанағаттандыруда шешуші рөл атқаратын жоғары тиімді келесі буын күн элементтерін әзірлеуде болашағы зор үміткер».