Прорыв в солнечной энергетике: ученые заставили горячие электроны жить в 1000 раз дольше

Научная группа из Нидерландского университета Гронингена выяснила, за счет чего перовскитные солнечные модули на оловянной основе способны аномально долго удерживать энергию так называемых горячих электронов. Данный прорыв открывает теоретическую возможность для конструирования фотоэлементов, чей коэффициент полезного действия превзойдет классический предел в 33%.

При абсорбции света солнечной батареей кванты света передают свой потенциал электронам. Наиболее мощные фотоны порождают «горячие» электроны, обладающие колоссальным запасом кинетической энергии. Концептуально этот избыток можно конвертировать в дополнительный электрический ток.

В реальных условиях специалисты сталкиваются с фундаментальным препятствием: высокоэнергетические электроны остывают мгновенно. Обычно этот процесс длится считанные пикосекунды — триллионные доли секунды. Избыточный потенциал рассеивается в виде тепла задолго до того, как систему удается задействовать для выработки энергии.

Тем не менее, испытания с металлогалогенидными оловянными перовскитами продемонстрировали аномальную динамику. В данных структурах темпы релаксации носителей заряда снизились приблизительно в тысячу раз. Вместо пикосекундного диапазона повышенная энергия удерживалась на протяжении целых наносекунд.

Полученные данные настолько удивили исследователей, что те поначалу заподозрили погрешность в аппаратуре. Для верификации физических процессов физики разработали детальную цифровую модель поведения заряженных частиц.

Виртуальный эксперимент продемонстрировал синергетический эффект двух физических явлений. Первое получило название «узкого горлышка горячих фононов». При передаче излишков энергии кристаллической решетке возникающие атомные колебания не успевают затухать, вследствие чего электроны рециркулируют часть энергии обратно, затягивая процесс охлаждения.

Второй фактор обусловлен заполнением квантовых уровней и проявлением эффекта Бурштейна — Мосса. Поскольку нижние свободные энергетические зоны уже заняты иными возбужденными носителями, горячим электронам гораздо сложнее совершить быстрый переход в состояние с меньшей энергией.

Комплексное воздействие этих феноменов формирует своего рода кинетический барьер для остывания. Математическое моделирование полностью подтвердило зафиксированное в лаборатории продление жизненного цикла горячих зарядов до наносекундной шкалы.

Уникальные характеристики оловянных перовскитов также обусловлены небольшой эффективной массой носителей. Это позволяет электронам стремительно мигрировать сквозь структуру вещества и пролонгировать удержание избыточного потенциала.

Если инженерам удастся научиться перехватывать этот ресурс до его рассеивания в тепловую энергию, появится шанс создать принципиально новые фотоэлементы на горячих носителях. Потенциально они способны обойти предел Шокли — Квайссера, ограничивающий КПД стандартных однопереходных батарей на отметке около 33%.

Тем не менее, до коммерческого воплощения технологии пройдет еще немало времени. Экспертам предстоит преодолеть трудности с селективным отбором горячих электронов и устранить сопутствующие технологические барьеры. Текущая научная работа лишь проливает свет на фундаментальную физику процесса длительного удержания энергии, а не представляет готовый образец сверхэффективного солнечного модуля.

Источник: iXBT