Forskere fastsætter tidsbegrænsning for ultrahurtige perovskite solceller

Forskere har kvantificeret de forbavsende høje hastigheder, hvormed fremtidige solceller skulle operere for at strække det, der i øjeblikket ses som naturlige grænser for deres energiomsætningseffektivitet.

Studiet, som undersøgte solcelleanordninger baseret på en type materialer kaldet perovskitter, tyder på, at disse kan opnå enestående niveauer af supereffektivitet. Men for at gøre det, de bliver nødt til at omdanne sollys til elektroner og derefter udtrække disse som elektrisk ladning inden for kun kvadrilliondeler af et sekund - et par "femtosekunder", at give dem deres videnskabelige navn.

Elektroner i bevægelse med denne ultrahurtige hastighed ville muliggøre dannelsen af ​​"hot carrier" -celler. Disse er solceller, der kan generere elektricitet mere effektivt ved at gøre brug af den tilføjede kinetiske energi, som elektroner har et kort øjeblik, lige efter at de er skabt, mens de bevæger sig med høj hastighed.

Mængden af ​​elektrisk energi, der kan udvindes fra en varm bærecelle, i forhold til mængden af ​​absorberet lys, potentielt kan matche eller endda bryde en energieffektivitetsrate på 30%. I grove vendinger, dette er den maksimale energieffektivitet, som solceller kan tænkes at opnå - selvom standard siliciumceller typisk har effektiviteter tættere på 20% i praksis.

På trods af de få tidsfraktioner, der er involveret, forfatterne til det nye papir siger, at det er muligt, at perovskitter i sidste ende kunne skubbe denne effektivitetsbarriere.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , blev udført af akademikere i Italien og Storbritannien. Det britiske team involverede forskere i Cavendish Laboratory's optoelektroniske forskergruppe af professor Sir Richard Friend, en stipendiat ved St John's College, Cambridge. Det italienske team er baseret på Politecnico di Milano i gruppen af ​​professor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, en ph.d. -studerende i gruppen Optoelektronik og papirets hovedforfatter, sagde:"Den tidsplan, vi har beregnet, er nu den tidsfrist, vi skal operere inden for, hvis vi vil skabe supereffektive, varme solcelleanlæg. Vi skulle få elektroner ud, før denne lille tid går. "

"Vi taler om at gøre dette ekstremt hurtigt, men det er ikke umuligt, at det kunne ske. Perovskitceller er meget tynde, og det giver os håb, fordi afstanden, som elektronerne skal dække, er derfor meget kort. "

Perovskitter er en klasse af materialer, der inden længe kan erstatte silicium som det foretrukne materiale til mange fotovoltaiske enheder. Selvom perovskit solceller kun er blevet udviklet inden for de sidste par år, de er allerede næsten lige så energieffektive som silicium.

Dels fordi de er betydeligt tyndere, de er meget billigere at lave. Mens siliciumceller er omkring en millimeter tykke, perovskitækvivalenter har en tykkelse på cirka en mikrometer, cirka 100 gange tyndere end et menneskehår. De er også meget fleksible, hvilket betyder, at udover at blive brugt til at drive bygninger og maskiner, perovskitceller kunne i sidste ende blive inkorporeret i ting som telte, eller endda tøj.

I den nye undersøgelse, forskerne ønskede at vide, hvor længe elektronerne produceret af disse celler bevarer deres højest mulige energiniveauer. Når sollys rammer cellen, lyspartikler (eller fotoner), omdannes til elektroner. Disse kan trækkes ud gennem en elektrode for at høste elektrisk ladning.

Et kort øjeblik efter at de er oprettet, elektronerne bevæger sig meget hurtigt. Imidlertid, de begynder derefter at kollidere, og mister energi. Elektroner, der bevarer deres hastighed, før sammenstød, er kendt som "varme", og deres tilføjede kinetiske energi betyder, at de har potentiale til at producere mere ladning.

"Tænk, hvis du havde et poolbord, og hver bold bevægede sig med samme hastighed, "Forklarede Richter." Efter en vis tid, de kommer til at ramme hinanden, hvilket får dem til at bremse og ændre retning. Vi ville vide, hvor længe vi skal udtrække elektronerne, før det sker. "

Cambridge -teamet udnyttede en metode udviklet af deres kolleger i Milano kaldet todimensionel spektroskopi. Dette indebærer at pumpe lys fra to lasere videre til prøver af blyjodidperovskitcelle for at simulere sollys, og derefter bruge en tredje "sonde" laser til at måle, hvor meget lys der absorberes.

Når elektronerne er kollideret og bremset, og begynder dermed at tage plads i cellen, mængden af ​​lys, der absorberes, ændres. Den tid, det tog, før dette skete i undersøgelsen, tillod forskerne effektivt at fastslå, hvor lang tid der er til rådighed til at udtrække elektroner, mens de stadig er "varme".

Undersøgelsen fandt ud af, at elektronkollisionsbegivenheder begyndte at ske mellem 10 og 100 femtosekunder, efter at lys i første omgang blev absorberet af cellen. For at maksimere energieffektiviteten, elektronerne ville således skulle nå elektroden på så lidt som 10 kvadrilliondeler af et sekund.

Forskerne er ikke desto mindre optimistiske om, at dette kan være muligt. Ud over at udnytte den iboende tyndhed af perovskit, de mener, at der kan skabes nanostrukturer i cellerne for yderligere at reducere den afstand, elektronerne har brug for at rejse.

"Denne tilgang er bare en idé for nu, men det er den slags ting, vi ville kræve for at overvinde de meget små tidsskalaer, vi har målt, "Tilføjede Richter.

Papiret, "Ultrahurtig bærertermikalisering i blyjodidperovskit sonderet med todimensionel elektronisk spektroskopi, "udgives i Naturkommunikation .