Это может изменить солнечную энергетику: ученые научили удерживать горячие электроны в 1000 раз дольше
iXBT.com ·
Исследователи Университета Гронингена в Нидерландах выяснили, почему перовскитные солнечные элементы на основе олова способны необычно долго сохранять энергию так называемых горячих электронов. Открытие теоретически может позволить создать солнечные элементы с эффективностью выше традиционного предела около 33%.
Исследователи Университета Гронингена в Нидерландах выяснили, почему перовскитные солнечные элементы на основе олова способны необычно долго сохранять энергию так называемых горячих электронов. Открытие теоретически может позволить создать солнечные элементы с эффективностью выше традиционного предела около 33%.
При попадании света в солнечный элемент фотоны передают энергию электронам. Особенно энергичные фотоны создают «горячие» электроны, обладающие значительным избытком энергии. Теоретически эту энергию можно было бы преобразовать в дополнительное электричество.
На практике возникает серьезная проблема: горячие электроны чрезвычайно быстро охлаждаются. Обычно процесс занимает пикосекунды — триллионные доли секунды. Избыточная энергия превращается в тепло еще до того, как ее удается извлечь из солнечного элемента.
Однако эксперименты с оловянными металлогалогенидными перовскитами показали неожиданное поведение. В этих материалах охлаждение горячих носителей заряда удалось замедлить примерно в 1000 раз. Вместо пикосекунд повышенная энергия сохранялась на протяжении наносекунд.
Результат оказался настолько необычным, что исследователи первоначально усомнились в точности собственных измерений. Чтобы разобраться в механизме, ученые создали компьютерную модель поведения носителей заряда.
Моделирование выявило совместное действие двух физических эффектов. Первый называется «бутылочным горлышком горячих фононов». Когда электроны отдают избыток энергии кристаллической решетке, возникающие колебания не успевают быстро рассеяться. В результате электроны могут поглощать часть этой энергии обратно, что замедляет их охлаждение.
Второй механизм связан с заполнением энергетических состояний и эффектом Бурштейна — Мосса. Нижние доступные энергетические уровни оказываются заняты другими возбужденными носителями, поэтому горячим электронам становится сложнее быстро перейти в менее энергетическое состояние.
Одновременное действие двух механизмов фактически создает препятствие для охлаждения. Компьютерное моделирование воспроизвело наблюдавшееся в эксперименте увеличение времени жизни горячих носителей до наносекунд.
Особые свойства оловянных перовскитов также связывают с малой эффективной массой носителей заряда. Благодаря этому электроны способны быстро перемещаться в материале и дольше сохранять избыточную энергию.
Если инженеры научатся извлекать эту энергию до ее превращения в тепло, станет возможным создание так называемых солнечных элементов на горячих носителях. Теоретически они способны превысить предел Шокли — Квайссера, который для обычного однопереходного фотоэлемента составляет примерно 33%.
До появления коммерческих панелей на основе этого принципа, однако, еще далеко. Ученым предстоит решить проблему эффективного извлечения горячих электронов и разобраться с другими ограничениями технологии. Новое исследование пока объясняет физический механизм длительного сохранения энергии, а не представляет готовую солнечную батарею с КПД выше 33%.