Науковці Університету Гронінгена в Нідерландах зробили перелом у розвитку сонячної енергетики. Їхні експерименти з олов’яними перовськітовими матеріалами показали, що надлишкова енергія від сонячного світла може затримуватися в панелі в тисячу разів довше, ніж раніше припускалося. Це відкриття потенційно дозволить переступити теоретичну границю 33% ефективності звичайних сонячних елементів.
Проблема гарячих електронів у сонячних панелях
Коли фотони потрапляють на поверхню сонячної панелі, вони надають енергію електронам матеріалу. Найбільш енергійні з них — так звані “гарячі електрони” — охолоджуються надзвичайно швидко, за трильйонні частки секунди. Переміщуючись через матеріал, вони втрачають надлишкову енергію у вигляді тепла, що робить її недоступною для конвертації в електроენергію.
“Це означає, що енергія втрачається до того, як гарячий електрон залишає матеріал сонячного елемента”, — пояснив Ян Антон Костер, професор фізики нових напівпровідників і пристроїв.
Олов’яні перовськіти як рішення
Дослідницька команда застосувала матеріал на основі олов’яного перовськіту та вдалося досягти вражаючих результатів. У лабораторних умовах втрата тепла уповільнилася у 1000 разів — замість пікосекунд надлишкова енергія зберігалася протягом наносекунд. На власний шок учених результат виявився відтворюваним.
“Ми навіть почали сумніватися у власних вимірюваннях”, — визнав Костер.
Два механізми, що сповільнюють охолодження
Аби зрозуміти явище, вчені створили цифрові симуляції, які розкрили два ключові механізми:
- “Гарячий фононний бар’єр” — навколишнє середовище настільки швидко нагрівається від енергії, що втрачається, що електрони поглинають частину цієї теплової енергії назад
- Ефект Бернстайна-Мосса — нижчі енергетичні стани вже занято іншими електронами, тому подальше охолодження неможливе
Комп’ютерне моделювання Ensemble Monte Carlo та вимірювання фотолюмінесценції підтвердили, що саме ці механізми пояснюють виявлене надзвичайно тривале утримання енергії в олов’яних перовськітах.
Чому олов’яні перовськіти такі перспективні
Галогенідні перовськіти з олова — це екологічні та нетоксичні кристалічні матеріали з унікальною тривимірною структурою, де іони олова пов’язані з галогенами та органічними компонентами. Вони мають незвично малу ефективну масу електронів, що дозволяє зарядам рухатися швидше.
Поєднання широкого світлопоглинання, швидкого переміщення зарядів і тривалого збереження енергії робить ці матеріали основою для сонячних панелей нового покоління. Проте дослідники наголошують, що до комерційного впровадження залишилося ще багато питань.
“Теоретично це відкриття може дозволити створити ефективніші сонячні елементи, які перевищуватимуть теоретичну межу у 33%”, — резюмувала команда. Результати опубліковані в журналі ACS Energy Letters.
