Новый материал преодолел барьер в 33 % КПД солнечных панелей: время «горячих электронов» увеличилось в 1000 раз

Учёные нашли способ удерживать избыточную энергию солнечного света в материале солнечной панели в тысячу раз дольше. Это открытие может помочь создать солнечные элементы с эффективностью, превышающей теоретический предел в 33%.

Исследователи Университета Гронингена в Нидерландах обнаружили необычное свойство оловянных перовскитовых солнечных элементов. Они значительно замедляют потерю тепла от высокоэнергетических «горячих электронов».

Когда солнечный свет попадает на панель, фотоны приводят электроны в движение. Наиболее энергичные фотоны создают «горячие электроны», которые потенциально могли бы дать гораздо больше электроэнергии. Но на практике они остывают за триллионные доли секунды, отдавая избыточную энергию в виде тепла.

Как оловянный перовскит повышает эффективность солнечных панелей

Команда использовала специальный материал на основе оловянного перовскита. В лаборатории учёным удалось замедлить потерю тепла в 1000 раз. Вместо того чтобы исчезнуть за пикосекунду, избыточная энергия сохранялась в течение наносекунд.

Сначала даже сами исследователи не поверили в этот результат.

Чтобы объяснить это явление, Костер и аспирант Тим Фабер создали цифровые симуляции. Они обнаружили сразу два механизма.

Первый — «горячий фононный барьер». Когда электроны отдают тепло, окружающая среда очень быстро нагревается, и электроны вновь поглощают часть утраченной тепловой энергии.

Второй — эффект Бернштейна-Мосса. Более низкие энергетические состояния уже заняты возбужденными электронами, поэтому дальнейшее охлаждение блокируется.

В совокупности эти механизмы резко замедляют охлаждение. Компьютерные модели воспроизвели ту же задержку в наносекундах, которую учёные наблюдали во время эксперимента.

Почему важно олово

Исследователи использовали моделирование методом ансамбля Монте-Карло и измерения фотолюминесценции с временным разрешением. Они показали, что заполнение энергетических зон в сочетании с эффектом «горячего фононного барьера» объясняет чрезвычайно длительное охлаждение носителей заряда в оловянных перровскитах.

Оловянные галогенидные перовскиты — — нетоксичные и экологичные кристаллические материалы. Они обладают трехмерной структурой, в которой ионы олова соединяются с галогенами и органическими или неорганическими компонентами.

Материал обладает необычно малой массой электронов. Благодаря этому заряды быстро движутся, а дополнительная тепловая энергия удерживается дольше. Сочетание широкого поглощения света, быстрого движения зарядов и длительного сохранения энергии делает такие материалы перспективными для будущих солнечных элементов.

До коммерческих панелей, использующих это свойство, ещё далеко.

Результаты исследования опубликовали в журнале ACS Energy Letters.

Источник: interestingengineering