ACSEL: перовскит помог сохранить энергию электронов в сотни раз дольше

Ученые из Гронингенского университета объяснили, почему оловянные перовскиты способны необычно долго удерживать избыточную энергию возбужденных электронов. Открытие может помочь при создании солнечных элементов нового поколения, сокращающих потери энергии в виде тепла.

Когда свет попадает на материал солнечной батареи, электроны переходят в возбужденное состояние и получают дополнительную энергию. Такие частицы называют горячими носителями заряда. В обычных фотоэлектрических материалах они охлаждаются за несколько пикосекунд, после чего значительная часть полученной от света энергии рассеивается в виде тепла и уже не может быть преобразована в электричество.

В оловянном перовските исследователи зафиксировали значительно более медленное охлаждение. Чтобы установить причину, специалисты сопоставили данные временно-разрешенной фотолюминесценции с результатами моделирования методом Монте-Карло. Расчеты показали, что длительное сохранение энергии обеспечивается не одним эффектом, а совместным действием двух физических механизмов.

Первый получил название горячего фононного узкого места. Возбужденные электроны передают энергию колебаниям кристаллической решетки — фононам. Однако решетка не успевает достаточно быстро рассеять полученную энергию. В результате электроны повторно поглощают часть испущенных фононов и дольше остаются горячими.

Второй механизм связан с заполнением энергетических уровней и эффектом Бурштейна — Мосса. Электрон может охладиться, только перейдя в состояние с меньшей энергией. Если нижние уровни уже заняты другими частицами, число доступных переходов сокращается, а потеря энергии замедляется.

По отдельности эти процессы не могли полностью объяснить результаты наблюдений. Их одновременное включение в модель позволило воспроизвести экспериментальную продолжительность охлаждения. При определенной концентрации носителей расчетное время достигло около 470 пикосекунд, тогда как измеренное значение составляло примерно 636 пикосекунд. В отдельных условиях процесс может растягиваться до наносекунд — в сотни раз дольше типичного пикосекундного диапазона.

Длительное сохранение энергии считается одним из ключевых условий создания солнечных элементов с горячими носителями. Такие устройства должны извлекать электроны до того, как их дополнительная энергия превратится в тепло. Теоретически это позволит преодолеть ограничения эффективности, характерные для обычных однопереходных солнечных батарей.

Полученный результат пока не означает появления готовой более эффективной панели. Инженерам необходимо разработать контакты, способные быстро извлекать горячие носители, обеспечить чистоту материала и добиться стабильной работы устройства. Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters.

Читайте также: 

ДНК матери вывела следствие на убийцу 31 женщины спустя девять лет

Подлодка Б-59 поставила СССР и США на грань ядерного столкновения

Заморозка резервов России заставила Европу пересмотреть хранение золота

Достоверные новости всегда под рукой — в канале «МК» в MAX