Langsom varme elektroner kan forbedre solcelleeffektiviteten

Fotoner med energi højere end båndgabet i halvlederen, der absorberer dem, giver anledning til det, der kaldes varme elektroner. Den ekstra energi i forhold til båndgabet tabes meget hurtigt, da den omdannes til varme og ikke bidrager til spændingen. University of Groningen Fotofysik og optoelektronik Professor Maria Antonietta Loi har nu fundet et materiale, hvor disse varme elektroner bevarer deres høje energiniveauer meget længere. Dette kan gøre det muligt at bruge mere af deres energi til at opnå en højere spænding. Hendes resultater blev offentliggjort den 16. januar i Naturkommunikation .

Effektiviteten af ​​solpaneler hæmmes af et Goldilocks -problem:Fotoner skal have den helt rigtige mængde energi for at blive konverteret til frie elektroner, som bidrager til spændingen. For lidt energi, og fotoner passerer lige igennem solpanelet. For meget, og den overskydende energi forsvinder som varme. Dette skyldes oprettelsen af ​​varme (højenergi) elektroner. Inden de kan udvindes fra solcellerne, disse varme elektroner afgiver først deres overskydende energi ved at forårsage vibrationer i solpanelets krystallinske materiale. "Dette energitab sætter en grænse for solcellernes maksimale effektivitet, "forklarer Loi.

Hun arbejder på en særlig type solceller, der er lavet af organisk-uorganiske hybridperovskitter. Perovskitter er opkaldt efter et mineral, der har den kemiske formel ABX ₃ . I position X, anioner danner en oktaeder, mens du er i A -position, kationer danner en terning omkring dem, mens en central kation indtager B -positionen. Mange materialer i perovskitfamilien anvender denne krystalstruktur. Hybridperovskitter indeholder organiske kationer i A -positionen.

De fleste hybrid-perovskit solceller indeholder bly, som er giftig. Lois gruppe offentliggjorde for nylig et papir, der beskriver en rekordstor 9 procent effektivitet i en hybrid-perovskit-solcelle, der indeholder harmløs tin i stedet for bly. "Da vi studerede dette materiale yderligere, vi observerede noget mærkeligt, "fortsætter hun. Resultaterne kunne kun betyde, at de varme elektroner, der blev produceret i de tinbaserede solceller, tog omkring tusinde gange længere tid end normalt for at sprede deres overskydende energi.

"De varme elektroner afgav deres energi efter flere nanosekunder i stedet for nogle hundrede femtosekunder. At finde sådanne langlivede varme elektroner er det, alle på dette felt håber på, "siger Loi. Deres længere levetid gør det muligt at høste disse elektroners energi, før den bliver til varme." Det betyder, at vi kunne høste elektroner med en højere energi og dermed skabe en højere spænding i solcellen. "Teoretiske beregninger viser, at ved høster de varme elektroner, den maksimale effektivitet for hybrid-perovskit solceller kan stige fra 33 til 66 procent.

Det næste trin er at finde ud af, hvorfor den tinbaserede hybridperovskit bremser forfaldet af varme elektroner. Så kunne nye perovskit -materialer designes med endnu langsommere varme elektroner. "Disse tinbaserede perovskitter kan være en spilskifter, og i sidste ende kunne yde et stort bidrag til at levere ren og bæredygtig energi i fremtiden. "