Учёные из Университета Гронингена нашли объяснение необычному свойству оловянного перовскита: возбуждённые электроны в нём могут сохранять лишнюю энергию примерно в тысячу раз дольше, чем обычно. Если эту энергию удастся собрать до того, как она превратится в тепло, солнечные элементы потенциально смогут превысить предел эффективности около 33%.

Работа опубликована в ACS Energy Letters. Исследователи подчёркивают, что пока речь идёт не о готовой сверхэффективной солнечной панели, а о физическом механизме, который может сделать такие устройства возможными.

Часть солнечной энергии просто превращается в тепло

Когда свет попадает на солнечный элемент, фотоны передают энергию электронам в материале. Эти электроны переходят в возбуждённое состояние, а их движение затем используется для получения электричества.

Но фотоны с высокой энергией передают электронам больше энергии, чем обычная солнечная ячейка способна использовать.

Возникают так называемые горячие электроны. Они обладают дополнительной энергией, но обычно теряют её почти мгновенно — за несколько пикосекунд. Излишек превращается в тепло ещё до того, как его можно использовать для выработки электричества.

Именно эти потери лежат в основе одного из главных ограничений классических однопереходных солнечных элементов — предела Шокли — Квайссера. В идеальных условиях он составляет примерно 33%.

Электроны «остывают» в тысячу раз медленнее

Несколько лет назад группа профессора Марии Антониетты Лои заметила необычное поведение в солнечном материале на основе оловянного перовскита.

Горячие электроны сохраняли дополнительную энергию не пикосекунды, а наносекунды — примерно в тысячу раз дольше.

Результат оказался настолько необычным, что вызвал скепсис даже у самих исследователей.

«Измерения были совершенно ясными, но мы не понимали стоящую за ними физику», — объясняет профессор Ян Антон Костер в сообщении Университета Гронингена.

Теперь команда смогла показать, почему это происходит.

Электронам мешают потерять энергию сразу два эффекта

Компьютерное моделирование показало, что необычно долгое сохранение энергии возникает благодаря сочетанию двух механизмов.

Первый называют эффектом горячих фононов. Когда электрон теряет энергию в виде тепла, окружающая кристаллическая решётка нагревается. Часть этой энергии затем может снова передаваться электрону, замедляя его охлаждение.

Но одного этого механизма оказалось недостаточно, чтобы объяснить эксперимент.

Второй эффект связан с заполнением энергетических уровней. Упрощённо это можно представить как лестницу: горячий электрон должен постепенно спуститься с более высокого энергетического уровня на нижний.

Однако если нижние «ступени» уже заняты другими электронами, путь вниз блокируется. Электрону приходится дольше оставаться в высокоэнергетическом состоянии.

Когда исследователи совместили оба механизма в модели, время охлаждения увеличилось до наносекунд — именно такой результат ранее наблюдали в эксперименте.

Зачем солнечным панелям горячие электроны

Если горячий электрон успеть извлечь из материала до того, как он потеряет дополнительную энергию, её можно теоретически превратить в дополнительное электрическое напряжение.

На этом основана идея hot-carrier solar cells — солнечных элементов на горячих носителях заряда.

В обычных элементах лишняя энергия высокоэнергетических фотонов в значительной степени теряется в виде тепла. В новой архитектуре хотя бы часть этой энергии можно было бы сохранить.

Именно поэтому такие устройства теоретически способны выйти за предел около 33%, характерный для обычных однопереходных солнечных элементов.

Оловянные перовскиты теперь рассматриваются как один из возможных материалов для такой технологии: электроны остаются в энергетически выгодном состоянии достаточно долго, чтобы у инженеров хотя бы появился шанс успеть их использовать.

До промышленной панели с эффективностью выше 33% ещё далеко

Исследование пока не демонстрирует готовый солнечный элемент, который преодолел предел Шокли — Квайссера.

Более того, сами авторы признают, что остаётся множество нерешённых вопросов. Необходимо научиться эффективно извлекать горячие электроны, подобрать подходящие контактные материалы и построить полноценное устройство, в котором выигрыш не будет потерян на других этапах преобразования энергии.

В научном сообществе к необычно долгому времени жизни горячих носителей в перовскитах также относятся осторожно: другие исследовательские группы ранее указывали, что часть заявленных эффектов трудно воспроизводить.

Но новая работа закрывает один из главных вопросов — показывает физический механизм, способный объяснить экспериментально наблюдавшееся замедление охлаждения.

Если этот эффект получится использовать в реальных устройствах, солнечные элементы смогут извлекать энергию, которая сегодня практически неизбежно уходит в тепло.