Perovskitter under tryk:Varme elektroner afkøles hurtigere

I solceller, omkring to tredjedele af sollysets energi går tabt. Halvdelen af ​​dette tab skyldes en proces kaldet 'hot carrier cooling', hvor højenergifotoner mister deres overskydende energi i form af varme, før de omdannes til elektricitet. Forskere ved AMOLF har fundet en måde at manipulere hastigheden på denne proces i perovskitter ved at lægge pres på materialet. Dette baner vejen for at gøre perovskites mere alsidige, ikke kun til brug i solceller, men også i en række andre applikationer, fra lasere til termoelektriske enheder. Forskerne vil offentliggøre deres undersøgelse i Journal of Physical Chemistry Letters den 23. april.

Perovskitter er et lovende materiale til fremtidig generations solceller, fordi de er lavet af billige ingredienser, og det er nemt at ændre deres sammensætning, så de passer til specifikke behov, som solceller i enhver ønsket farve. Forskere i Hybrid Solar Cells -gruppen på AMOLF forsøger at øge effektiviteten og levetiden for hybrid perovskite halvledere ved at afdække de grundlæggende egenskaber ved perovskitter. En af disse egenskaber er den hastighed, hvormed den såkaldte hot carrier-køling finder sted, hvilket også er relevant, hvis perovskiter anvendes i andre applikationer.

Varm bærekøling

I solceller, lysets energi, der matcher halvlederens båndgab, omdannes direkte til elektricitet. Denne direkte rute er ikke tilgængelig for fotoner med en højere energi. Disse fotoner genererer såkaldte varmebærere:højenergielektroner (og huller), der skal køles ned, før de kan høstes i form af elektrisk energi. Varmbærerafkøling sker spontant:De varmebærere mister deres overskydende energi i form af varme gennem spredning, indtil de matcher halvlederens ledningsenerginiveau. Forsøger at forstå denne proces i perovskitter, Ph.D. studerende Loreta Muscarella støder på forskellige vanskeligheder, en af ​​dem er tidsskalaen. Hun siger, "Hot carrier -køling sker meget hurtigt, typisk på en tidsskala fra femtosekunder til picosekunder, hvilket gør det svært at manipulere eller endda undersøge processen. Vi er heldige at have et unikt setup med et Transient Absorption Spectrometer (TAS) i kombination med trykudstyr i vores gruppe. Dette giver os mulighed for at måle de elektroniske egenskaber af perovskit under ekstern belastning et par femtosekunder efter at have skinnet lys på materialet."

Manipulerer med tryk

Det var allerede kendt, at under rigelig belysning af varm bærer køling i perovskite halvledere er meget langsommere end i silicium halvledere. Dette gør undersøgelsen af ​​processen meget mere gennemførlig i perovskit frem for silicium. Muscarella og hendes kolleger antog, at hastigheden af ​​afkølingsprocessen kan være trykafhængig. "De varme bærere mister deres overskydende energi gennem vibrationer og spredning. Anvendelse af tryk øger vibrationer inde i materialet, og bør således øge hastigheden af ​​hot carrier køling, " siger hun. "Vi besluttede at teste denne antagelse og fandt ud af, at vi faktisk kan manipulere afkølingstiden med tryk. Ved 3000 gange omgivelsestryk er processen to til tre gange hurtigere. "

En solcelle ville ikke kunne fungere ved så høje tryk, men en lignende effekt kan opnås med indre belastning. Muscarella:"Vi lavede vores eksperimenter med eksternt tryk, men i perovskiter er det muligt at fremkalde en indre belastning ved kemisk at ændre materialet eller dets vækst, som vi tidligere har vist i vores gruppe."

Kølehastighed til forskellige applikationer

At være i stand til at styre den varme bærerkølehastighed giver mulighed for forskellige andre anvendelser af perovskiter udover solceller. "Muligheden for at designe perovskiter til specifikke farver gør dem ikke kun meget interessante for farvede solceller, men også til lasere eller LED -teknologi. I sådanne applikationer, hurtig afkøling af varme bærere er afgørende, ligesom det er i konventionelle solceller. Langsom afkøling på den anden side ville gøre perovskiter velegnede til termoelektriske enheder, der omdanner en temperaturforskel til elektricitet. Så muligheden for at indstille den varme bærerkølehastighed giver mulighed for en lang række enheder, der kunne fremstilles med perovskites, "siger Muscarella. Hun forestiller sig endda at lægge et negativt tryk på materialet for at gøre den varme bærerens køleproces endnu langsommere for en bestemt type solceller.

"Da varmeafledning tegner sig for næsten tredive procent af effektivitetstabet i solceller, videnskabsmænd leder efter måder at høste de varme bærere på, før de er afkølet. I øjeblikket, selv den 'langsomme' afkøling i perovskitter ved omgivende tryk er stadig for hurtig for sådanne såkaldte hot-carrier solceller. Nu, disse varme bærere mister deres overskydende energi som varme inden for picosekunder. Imidlertid, hvis vi kunne inducere en negativ belastning, kunne det være muligt at gøre processen langsom nok til at blive anvendt i en fungerende enhed."