Фотоны с энергией выше ширины запрещенной зоны поглощающего их полупроводника порождают так называемые горячие электроны. Дополнительная энергия относительно ширины запрещенной зоны теряется очень быстро, поскольку она преобразуется в тепло и не влияет на напряжение. Профессор фотофизики и оптоэлектроники Гронингенского университета Мария Антониетта Лой нашла материал, в котором эти горячие электроны сохраняют свои высокие энергетические уровни гораздо дольше. Это может позволить использовать больше их энергии для получения более высокого напряжения. Ее результаты были опубликованы 16 января в Nature Communications..
Эффективность солнечных панелей снижается из-за проблемы Златовласки: фотонам необходимо достаточное количество энергии для преобразования в свободные электроны, которые вносят свой вклад в напряжение. Слишком мало энергии, и фотоны проходят прямо через солнечную панель. Слишком много, и избыточная энергия исчезает в виде тепла.
перовскиты
Последнее связано с созданием горячих (высокоэнергетических) электронов. Прежде чем их можно будет извлечь из солнечных элементов, эти горячие электроны сначала отдают свою избыточную энергию, вызывая колебания в кристаллическом материале солнечной панели. «Эта потеря энергии ограничивает максимальную эффективность солнечных батарей», - объясняет Лои.
Она работает над специальным типом солнечной батареи, которая состоит из органо-неорганических гибридных перовскитов. Перовскиты названы в честь минерала с химической формулой ABX3. В положении X анионы образуют октаэдр, в то время как в положении A катионы образуют вокруг себя куб, а центральный катион занимает положение B. Многие материалы из семейства перовскитов имеют эту кристаллическую структуру. Гибридные перовскиты содержат органические катионы в положении А.
Срок службы
Большинство гибридных перовскитных солнечных элементов содержат свинец, который токсичен. Группа Лои недавно опубликовала статью, описывающую рекордную 9-процентную эффективность гибридного перовскитного солнечного элемента, содержащего безвредное олово вместо свинца. «Когда мы изучали этот материал дальше, мы заметили нечто странное, - продолжает она. Результаты могли означать только то, что горячим электронам, образующимся в солнечных элементах на основе олова, потребовалось примерно в тысячу раз больше времени, чем обычно, чтобы рассеять избыточную энергию.
'Горячие электроны отдали свою энергию через несколько наносекунд вместо нескольких сотен фемтосекунд. Обнаружение таких долгоживущих горячих электронов - это то, на что надеются все в этой области», - говорит Лой. Их более длительный срок службы позволяет собирать энергию этих электронов до того, как она превратится в тепло. «Это означает, что мы можем собирать электроны с более высокой энергией и, таким образом, создавать более высокое напряжение в солнечном элементе. Теоретические расчеты показывают, что за счет сбора горячих электронов максимальная эффективность гибридно-перовскитных солнечных элементов может увеличиться с 33 до 66 процентов.
Чистая энергия
Следующий шаг - выяснить, почему гибридный перовскит на основе олова замедляет распад горячих электронов. Затем можно было бы разработать новые перовскитные материалы с еще более медленными горячими электронами. «Эти перовскиты на основе олова могут изменить правила игры и в конечном итоге внести большой вклад в обеспечение чистой и устойчивой энергии в будущем».