Под руководством Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики и Университета Теннесси в Ноксвилле исследование материала солнечной энергии с блестящим будущим открыло способ замедлить фононы, волны, переносящие тепло. Открытие может улучшить новые солнечные элементы с горячими носителями, которые преобразуют солнечный свет в электричество более эффективно, чем обычные солнечные элементы, используя фотогенерируемые носители заряда до того, как они потеряют энергию в виде тепла.
«Мы показали, что тепловым переносом и временем охлаждения носителей заряда можно управлять, изменяя массу атомов водорода в фотогальваническом материале», - сказал Майкл Мэнли из ORNL.«Этот путь продления срока службы носителей заряда открывает новые стратегии для достижения рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую в новых солнечных элементах с горячими носителями».
Махшид Ахмади из UT отметил: «Настройка динамики органических молекул может позволить контролировать фононы, важные для теплопроводности в металлоорганических перовскитах». Эти полупроводниковые материалы перспективны для фотоэлектрических приложений.
Мэнли и Ахмади разработали и провели исследование, опубликованное в журнале Science Advances. Специалисты в области синтеза материалов, нейтронного рассеяния, лазерной спектроскопии и теории конденсированных сред обнаружили способ предотвратить расточительное охлаждение заряда путем замены более легкого изотопа на более тяжелый в металлоорганическом перовските.
Когда солнечный свет падает на солнечный элемент, фотоны создают носители заряда - электроны и дырки - в поглощающем материале. Солнечные элементы с горячими носителями быстро преобразуют энергию носителей заряда в электричество, прежде чем она будет потеряна в виде отработанного тепла. Предотвращение потери тепла - серьезная задача для этих солнечных элементов, которые потенциально могут быть в два раза эффективнее обычных солнечных элементов.
Эффективность преобразования обычных перовскитных солнечных элементов повысилась с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. Хорошо спроектированное устройство с горячим носителем может обеспечить теоретическую эффективность преобразования, приближающуюся к 66%.
Исследователи изучили метиламмоний-йодид свинца, перовскитовый абсорбирующий материал. В его решетке коллективные возбуждения атомов создают колебания. Колебания, движущиеся синхронно друг с другом, являются акустическими фононами, тогда как колебания, движущиеся не синхронно, являются оптическими фононами.
«Обычно носители заряда сначала отдают свое тепло оптическим фононам, которые распространяются медленнее, чем акустические фононы», - объяснил соавтор ORNL Рафаэль Херманн. «Позже оптические фононы взаимодействуют с акустическими фононами, уносящими эту энергию».
Однако в области, называемой «горячим фононным узким местом», экзотическая физика не позволяет электронам терять свою энергию на коллективные колебания, переносящие тепло. Чтобы усилить этот эффект в фотогальваническом перовските, исследователи использовали инерцию, тенденцию объекта продолжать делать то, что он делает, будь то в состоянии покоя или в движении..
"Мы фактически уменьшили скорость раскачивания молекул, подобно тому, как замедляем крутящуюся фигуристку, кладя ей в руки гири", - сказал Герман..
Чтобы сделать это в упорядоченной атомной решетке, Ахмади и Кунлунь Хонг из ORNL возглавили синтез кристаллов метиламмоний-йодида свинца в Центре наук о нанофазных материалах, учреждении Министерства энергетики США в ORNL. Они заменили более легкий изотоп водорода, обычно встречающийся протий, не имеющий нейтронов, на более тяжелый, дейтерий, имеющий один нейтрон, в центральной органической молекуле перовскита, метиламмонии или МА. Изотопы - химически идентичные атомы, отличающиеся только массой из-за разницы в числе нейтронов.
Затем Мэнли и Германн вместе с Сонгсюэ Чи из ORNL провели эксперименты по трехосному рассеянию нейтронов на высокопоточном изотопном реакторе, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в ORNL, чтобы составить карту дисперсии фононов в протонированных и дейтерированных кристаллах. Поскольку они увидели несоответствие между своими измерениями и опубликованными данными измерений неупругого рентгеновского излучения, они провели дополнительные измерения в источнике нейтронов расщепления, еще одном пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Там Люк Деймен из ORNL использовал вибрационный спектрометр VISION, чтобы выявить все возможные колебательные энергии. Объединенные результаты показали, что продольные акустические моды с короткими длинами волн распространяются медленнее в дейтерированном образце, что предполагает снижение теплопроводности.
Hsin Wang из ORNL провел измерения температуропроводности, чтобы выяснить, как тепло перемещается в кристаллах. «Эти измерения показали нам, что дейтерирование снижает и без того низкую теплопроводность на 50%», - сказал Мэнли. «Тогда мы поняли, что, возможно, это открытие влияет на вещи, о которых заботятся производители солнечных устройств, в частности, на поддержание температуры носителей заряда».
Исследование дало беспрецедентное понимание влияния увеличения атомной массы на теплопередачу.
«Многие вибрации, такие как моды растяжения атомов водорода, имеют такие высокие частоты, что обычно не взаимодействуют с низкоэнергетическими колебаниями кристалла», - сказал Деймен. Низкоэнергетические режимы включают колебания молекул.
Частота колебаний органической молекулы МА немного выше частоты коллективных колебаний. Однако, когда атом дейтерия заменяет более легкий изотоп водорода, его большая масса замедляет колебание МА. Он колеблется на частоте, близкой к частоте коллективных вибраций, и они начинают взаимодействовать, а затем сильно соединяются. Синхронизированные фононы замедляются, становясь менее эффективными при отводе тепла.
Германн сравнил влияние частоты с различными действиями мальчика, когда отец качает его на качелях. «Случай протонирования похож на то, как мальчик двигает ногами слишком быстро, чтобы быть синхронным с толчком отца. Он не собирается подниматься выше. Но если он начинает двигать ногами примерно с той же частотой, что и раскачивание, это похоже на случай дейтерирования. Малыш замедлил свои ноги ровно настолько, чтобы он начал синхронизироваться с толчком, добавляя импульс. Он может качаться выше, потому что эти два движения связаны».
Измерения ORNL выявили эффект, намного превышающий ожидаемый от изменения массы водорода: дейтерирование замедляло перенос тепла настолько, что время охлаждения носителей заряда удваивалось.
Чтобы подтвердить это открытие, соавтор ORNL Ченгьюн Хуа использовал лазерные эксперименты с накачкой и зондом для измерения рассеяния энергии электронов в дейтерированных и протонированных перовскитах за крошечные временные масштабы, квадриллионные доли секунды..
«Эти измерения подтвердили, что гигантские изменения в фононах и теплопроводности, вызванные тяжелым изотопом, приводят к более медленному времени релаксации для фотовозбужденных электронов», - сказал Хуа. «Это важный фактор в улучшении фотогальванических свойств».
Калифорнийский университет в Беркли, соавторы Яо Цай и Марк Аста, которые также работают в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, провели расчеты, основанные на теории, чтобы дать представление о сложностях поведения фононов.
Открытие, сделанное в ходе исследования, проведенного ORNL-UT, может стать светлым пятном для будущих производителей солнечных элементов с горячими носителями.
«Фононы выглядят как довольно эффективная ручка, которую можно повернуть, и мы знаем, как повернуть эту ручку», - сказал Мэнли. «Если вы хотите улучшить материалы, вы можете добавить молекулу метиламмония или что-то еще. Это открытие может повлиять на решения разработчиков о том, как они выращивают свои кристаллы».
Добавил Ахмади: «Эти знания можно использовать для разработки материалов для приложений, выходящих за рамки фотогальваники, таких как оптические датчики и устройства связи».