Skadelige effekter øger paradoksalt nok solcellernes effektivitet

(Phys.org) —Dissipation og decoherence betragtes typisk som skadeligt for solcelleeffektivitet, men i et nyt papir har forskere vist, at disse effekter paradoksalt nok gør exciton -levetiden i halvledende carbon -nanorør 50 gange længere end før, hvilket fører til en højere samlet effektivitet. Resultaterne giver nye retningslinjer for at udforske nye fotovoltaiske materialer, der kan tilbyde uventet høj effektivitet.

Forskerne, Yasuhiro Yamada, Youhei Yamaji, og Masatoshi Imada på University of Tokyo (Yamada er i øjeblikket på Osaka University), har udgivet et papir om den kontraintuitive livstidsforbedring af exciton i et nyligt nummer af Fysiske anmeldelsesbreve .

"Princippet om bedre effektivitet ved energidissipation og dekohærens er allerede blevet udledt af fotosynteseprocessen ved kloroplasterne, " fortalte forfattere Phys.org . "Imidlertid, det har været som spekulation indtil nu."

Som forskerne forklarer, forståelse af denne forbedring kræver en mikroskopisk forståelse af den måde, at energi omdannes fra sollys til elektricitet - eller, med hensyn til partikler, fra fotoner til excitoner, hvoraf sidstnævnte er bundne tilstande af en elektron og et elektronhul.

I denne energiomdannelsesproces, der er normalt en afvejning, når det kommer til fotonabsorptionshastigheden af ​​det fotovoltaiske materiale. En høj absorptionshastighed er gavnlig for det første trin, når excitoner genereres fra indkommende fotoner, men skadeligt i et senere trin, når elektronerne og elektronhullerne skal adskilles ved forskellige elektroder. Desværre, før denne ladningsadskillelse kan forekomme, den høje absorptionshastighed får flere af excitonerne til hurtigt at rekombinere tilbage til fotoner, som udledes tilbage til miljøet.

I den nye undersøgelse, forskerne viste, at der er en måde at høste fordelene ved en høj absorptionshastighed uden at betale prisen senere, fordi exciton-rekombination kan undertrykkes af - ret overraskende - spredning og dekohærens. Normalt, disse to effekter anses for at være skadelige for fotovoltaisk effektivitet:energiudledning betyder, at noget energi går tabt til miljøet; og på grund af usammenhæng, kvantekohærensen mellem fotoner og excitoner, der hjælper med at fremme excitongenerering, mister sin kvantestyrke og bliver klassisk.

På trods af disse ulemper, forskerne her viste, at en vis mængde dissipation, kombineret med en optimal sameksistens af sammenhæng og dekohærens, kan øge excitonens levetid, så den har tid nok til at adskilles i en elektron og hul, før rekombination sker.

"Normalt, separationsprocessen tager meget længere tid end rekombinationsprocessen, " forklarede forfattere. "Derfor, vi er nødt til at forlænge excitonens levetid for at vente, indtil adskillelsesprocessen virker."

At gøre dette, mekanismen forvandler kortvarige "lyse excitoner" til længerevarende "mørke excitoner, "som lever længe nok til at blive adskilt i en elektron og et hul uden at bukke under for rekombination. Nøglen til denne transformation er, at spredning og dekoherens pålægger en ønskelig kvante-til-klassisk transformation, der gør denne proces irreversibel:en mørk exciton kan ikke transformeres tilbage ind i en lysende exciton. Som forskerne forklarede, det var ikke let at finde ud af dette.

"Den kvante-til-klassiske crossover-proces ledsaget af spredning er kernen i vanskelige ikke-ligevægtsproblemer med mange legemer, og at løse det kræver udvikling af et effektivt beregningsværktøj med en ny teoretisk formulering, " sagde forfattere. "Efter at have løst den formulerede kvantemesterligning, princippet om at optimere dekohærensen og spredningen til den bedre effektivitet er fastlagt i nærværende arbejde. Det væltede den sunde fornuftsforestilling om, at bedre effektivitet skulle tilstræbes i materialer med bedre 'kvanteudbytte', som har en højere fotoluminescenshastighed. Det giver os nye retningslinjer."

Som forskerne forklarede, en del af grunden til, at fordelen ved rekombinationsundertrykkelse ved dissipation og dekohærens er gået ubemærket hen indtil nu, er, at mekanismen paradoksalt nok forårsager et fald i fotoluminescensen, eller lysemission, så et materiale med disse virkninger ved første øjekast ville virke lovende som et solcelleanlæg. Imidlertid, faldet i fotoluminescens er et resultat af det faktum, at mekanismen omdanner lyse excitoner (som udsender lys) til mørke excitoner (som ikke gør det). Så selvom flere mørke excitoner får materialet til at virke mørkt, de er det, der gør det muligt for materialet at omdanne lys til elektricitet med en høj effektivitet.

"I næste trin, vi har et presserende behov for at afklare, hvordan adskillelsen af ​​excitonen til en elektron og et hul sker med transporten af ​​dem til de modsatte elektroder for at generere en elektromotorisk kraft, forudsat at deres rekombination til en foton er undertrykt i den nuværende mekanisme, " sagde forfattere. "Dette kræver en meget længere og kompleks tidsudviklingsproces. En anden forskningsretning er naturligvis at designe en solcelle med bedre effektivitet ved at udnytte de nuværende principper og retningslinjer. Dette kan gøres for nye materialekandidater."

© 2015 Phys.org