Новий матеріал долає межу 33% КПД сонячних панелей: час "гарячих електронів" зріс у 1000 разів

Вчені знайшли спосіб утримувати надлишкову енергію сонячного світла в матеріалі сонячної панелі у тисячу разів довше. Це відкриття може допомогти створити сонячні елементи з ефективністю понад теоретичну межу 33%.

Дослідники Університету Гронінгена в Нідерландах виявили незвичайну властивість олов’яних перовськітових сонячних елементів. Вони значно сповільнюють втрату тепла від високоенергетичних “гарячих електронів”.

Коли сонячне світло потрапляє на панель, фотони приводять електрони в рух. Найенергійніші фотони створюють “гарячі електрони”, які потенційно могли б дати набагато більше електроенергії. Але на практиці вони охолоджуються за трильйонні частки секунди, віддаючи надлишкову енергію у вигляді тепла.

Як олов’яний перовськіт підвищує ефективність сонячних панелей

Команда використала спеціальний матеріал на основі олов’яного перовськіту. У лабораторії вченим вдалося уповільнити втрату тепла у 1000 разів. Замість зникнення за пікосекунди надлишкова енергія зберігалася протягом наносекунд.

Спочатку навіть самі дослідники не повірили результату.

Щоб пояснити явище, Костер і аспірант Тім Фабер створили цифрові симуляції. Вони виявили одразу два механізми.

Перший — “гарячий фононний бар’єр”. Коли електрони віддають тепло, навколишнє середовище дуже швидко нагрівається, і електрони знову поглинають частину втраченої теплової енергії.

Другий — ефект Бернстайна-Мосса. Нижчі енергетичні стани вже зайняті збудженими електронами, тому подальше охолодження блокується.

Разом ці механізми різко уповільнюють охолодження. Комп’ютерні моделі відтворили те саме відтермінування на наносекунди, яке вчені побачили під час експерименту.

Чому важливе олово

Дослідники використали моделювання Ensemble Monte Carlo та вимірювання фотолюмінесценції з розділенням в часі. Вони показали, що заповнення енергетичних зон разом з ефектом “гарячого фононного бар’єра” пояснює надзвичайно тривале охолодження носіїв заряду в олов’яних перовськітах.

Олов’яні галогенідні перовськіти — нетоксичні та екологічні кристалічні матеріали. Вони мають тривимірну структуру, де іони олова поєднуються з галогенами та органічними або неорганічними компонентами.

Матеріал має незвично малу масу електронів. Завдяки цьому заряди швидко рухаються, а додаткова теплова енергія утримується довше. Поєднання широкого поглинання світла, швидкого руху зарядів і тривалого збереження енергії робить такі матеріали перспективними для майбутніх сонячних елементів.

До комерційних панелей із використанням цієї властивості ще далеко.

Результати дослідження опублікували в журналі ACS Energy Letters.

Джерело: interestingengineering