Lehigh University的研究人员开发了一种新型量子材料，这种材料有望显著提高太阳能电池的效率。这个原型太阳能电池使用该材料作为活性层，展示了80%的平均光伏吸收率、高生成率的光激发载流子，以及高达190%的外部量子效率（EQE），这一指标远远超过了硅基材料的理论Shockley-Queisser效率极限，并将量子材料在光伏领域的应用推向了新的高度。
这种材料的效率飞跃主要归功于其独特的“中间带态”，这些特定的能级位于材料的电子结构中，使其非常适合太阳能转换。这些中间带态具有在最佳亚带隙——材料能有效吸收阳光并产生电荷载流子的能量范围——大约0.78和1.26电子伏特内的能级。
此外，该材料在电磁谱的红外和可见光区域表现出特别高的吸光性。在传统太阳能电池中，最大的EQE是100%，代表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配置已经展示了从高能光子产生并收集多个电子的能力，代表了超过100%的EQE。
Lehigh开发的材料中，中间带态能够捕获传统太阳能电池所丢失的光子能量，包括通过反射和产生热量的方式。研究人员通过利用“范德华间隙”——层状二维材料之间的原子级小间隙——来开发这种新型材料。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“插层”其他元素以调节材料属性。
为了开发他们的新型材料，Lehigh的研究人员在由锗硒化物（GeSe）和锡硫化物（SnS）构成的二维材料层之间插入了零价铜原子。Ekuma教授是计算凝聚态物理的专家，他在系统进行了广泛的计算机建模后，作为概念验证开发了这个原型。
尽管将这种新设计的量子材料整合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，用于创建这些材料的实验技术已经非常先进。科学家们已经掌握了一种精确插入原子、离子和分子到材料中的方法。
这项研究的详细信息已发表在《科学进展》（2024）上，标题为《原子级薄CuxGeSe/SnS量子材料中化学调节的中间带态用于光伏应用》。
