Физики выяснили, почему оловянные перовскиты удерживают энергию горячих электронов наносекундами, а не пикосекундами — это открывает путь к КПД выше 33%.
Солнечная энергетика упирается в фундаментальный барьер: обычный однопереходный фотоэлемент теоретически не может преобразовать больше 33% падающей энергии. Ученые из Университета Гронингена в Нидерландах нашли способ обойти это ограничение — правда, пока только в лаборатории.
Речь о горячих электронах. Когда фотон попадает в солнечный элемент, он передает энергию электрону. Самые энергичные фотоны создают частицы с избытком энергии. Их можно было бы превратить в дополнительное электричество. На практике горячие электроны остывают за пикосекунды — триллионные доли секунды. Энергия уходит в тепло раньше, чем ее успевают снять.
Что показал эксперимент
В опытах с оловянными металлогалогенидными перовскитами охлаждение замедлилось примерно в 1000 раз. Вместо пикосекунд энергия держалась наносекунды. Результат выглядел настолько странно, что исследователи сами усомнились в измерениях. Тогда они построили компьютерную модель.
Два механизма, которые тормозят охлаждение
Первый — «бутылочное горлышко горячих фононов». Электроны отдают энергию кристаллической решетке, колебания не успевают рассеяться, и часть тепла возвращается обратно. Второй — эффект Бурштейна — Мосса. Нижние энергетические уровни заняты, поэтому горячему электрону сложнее перейти на более низкий уровень. Оба механизма вместе создают пробку.
Добавляется и малая эффективная масса носителей заряда в оловянных перовскитах. Электроны быстрее двигаются и дольше сохраняют избыточную энергию. Моделирование воспроизвело ту самую наносекундную задержку, которую видели в лаборатории.
Почему это важно для солнечной энергетики
Если инженеры научатся извлекать энергию до того, как она станет теплом, появятся солнечные элементы на горячих носителях. Теоретически они способны превысить предел Шокли — Квайссера. Развитие солнечной энергетики могло бы получить шанс на скачок эффективности.
Но до коммерческих панелей далеко. Нужно решить проблему извлечения горячих электронов и другие ограничения. Работа объясняет физику процесса, а не дает готовую батарею с КПД выше 33%. Исследование опубликовано в ACS Energy Letters.
Пока это фундаментальная наука. Но именно из таких странных результатов потом вырастают технологии, которые меняют крыши и электростанции.