Реабсорбция утраченного тепла («бутылочное горлышко» горячих фононов) и занятых энергетических уровней (заполнение зон) замедляют потерю энергии горячими электронами
Исследователи из Университета Гронингена в Нидерландах обнаружили, что перовскитные солнечные элементы на основе олова могут замедлять потерю тепла высокоэнергетическими «горячими электронами». Это может позволить повысить эффективность солнечных элементов выше предела Шокли‑Квиссера в 33%. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Energy Letters.
Когда солнечный свет попадает на панель, фотоны приводят электроны в движение. Наиболее энергичные фотоны создают «горячие электроны» (имеющие больше энергии относительно края энергетической зоны). Теоретически эти энергетические тяжеловесы должны вырабатывать гораздо больше электричества. На практике их существование мимолётно. За триллионные доли секунды эти высокоэнергетические частицы быстро охлаждаются, отдавая дополнительную энергию в виде бесполезного тепла ещё до того, как успевают покинуть солнечный элемент.
Используя специальный материал для солнечных элементов, перовскит на основе олова, лаборатория Лои совершила то, что многие считали невозможным: ей удалось замедлить потерю тепла в 1000 раз. В результате дополнительная энергия сохранялась наносекунды вместо того, чтобы исчезать за пикосекунды.
Чтобы понять, что происходит, Костер и аспирант Тим Фабер создали компьютерные модели, позволяющие разобраться в квантовых процессах. И обнаружили неожиданно работающий двойной механизм.
Во‑первых, «бутылочное горлышко горячих фононов» создаёт тепловую ловушку. Когда электроны отдают тепло, окружающая среда нагревается настолько быстро, что электроны в итоге снова поглощают собственную потерянную тепловую энергию. Во‑вторых, эффект Бурштейна‑Мосса создаёт своего рода атомную пробку. Поскольку состояния с более низкой энергией уже заняты возбуждёнными электронами, путь вниз оказывается заблокирован.
Вместе эти два механизма задерживают процесс охлаждения. Моделирование воспроизвело наносекундную задержку, наблюдавшуюся в лаборатории.
В исследовании используются методы моделирования Монте‑Карло для ансамблей частиц и временно‑разрешённая фотолюминесценция, чтобы показать, что заполнение энергетических зон в сочетании с эффектом бутылочного горлышка горячих фононов объясняет сверхдлительное охлаждение горячих носителей заряда в металлогалогенных перовскитах на основе олова.
Металлогалогенные перовскиты на основе олова представляют собой нетоксичные (не содержащие свинца) и кристаллические материалы для высокоэффективного преобразования солнечной энергии. Эти передовые полупроводники имеют особую трёхмерную решётчатую структуру, в которой ионы олова сочетаются с галогенами и органическими или неорганическими компонентами.
Материал обладает необычно малой эффективной массой электронов. В результате электрические заряды быстро перемещаются и в течение длительного времени сохраняют дополнительную тепловую энергию. Сочетание широкого поглощения света, эффективного переноса заряда и длительного удержания энергии делает эти материалы перспективными кандидатами для солнечных панелей следующего поколения.
До появления коммерческих солнечных панелей, способных использовать эту сохраняющуюся энергию, пока далеко. «Есть ещё много вопросов, на которые предстоит ответить, но теоретически это открытие может позволить создавать более эффективные солнечные элементы, превосходящие теоретический предел в 33%», — заявила команда.
Источник: habr.com