Снижение вибраций в солнечных элементах с «горячими носителями»

Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую у обычных перовскитных солнечных элементов увеличилась с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. Удачно спроектированное устройство с горячими носителями может достичь теоретической эффективности преобразования, приближающейся к 66%

Исследователи показали способ замедлить фононы - волны, которые перенесут тепло, прежде чем оно будет потеряно. Открытие может улучшить конструкцию солнечных элементов с «горячими носителями», которые преобразуют свет в электричество более эффективным способом, по сравнению с обычными элементами.

«Было показано, что тепловым переносом и временем охлаждения носителей заряда можно управлять, изменяя массу атомов водорода в фотоэлектрических материалах». «Продление времени сохранения носителями заряда своих характеристик открывает новые возможности, чтобы достичь рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую».

«Настройка динамических параметров органических молекул позволит контролировать поведение фононов - важных составляющих процесса теплопроводности в металлоорганических перовскитах».

Подробности исследования опубликованы в журнале Science Advances [1]. Эксперты в области синтеза материалов, рассеяния нейтронов, лазерной спектроскопии и теории конденсированного состояния вещества обнаружили способ снизить скорость охлаждения заряда, заменив в металлоорганическом перовските легкий изотоп на сравнительно тяжелый.

Когда свет попадает на солнечный элемент, фотоны создают носители заряда - электроны и дырки - в поглощающем материале. Солнечные элементы с горячими носителями должны достаточно быстро преобразовать энергию носителей заряда в электричество, прежде чем она будет потеряна в виде отработанного тепла. Предотвращение потери тепла - важная задача в разработке конструкции солнечных элементов такого типа, которые вдвое эффективнее обычных.

Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую у обычных перовскитных солнечных элементов увеличилась с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. Удачно спроектированное устройство с горячими носителями может достичь теоретической эффективности преобразования, приближающейся к 66%.

Исследователи использовали светопоглощающий перовскит - метиламмоний иодид свинца. В его решетке коллективные возбуждения атомов создают волновые колебания. Колебания, движущиеся синхронно друг с другом, являются акустическими фононами, а колебания, движущиеся не синхронно, - оптическими.

«Обычно носители заряда сначала отдают тепло оптическим фононам, которые распространяются медленнее, чем акустические». «Позже оптические взаимодействуют с акустическими фононами, уносящими эту энергию».

Однако в той области, называемой «узким местом горячих фононов», электроны из-за коллективных колебаний, переносящих тепло, не могут терять свою энергию. Чтобы в фотоэлектрическом перовските усилить этот эффект, исследователи использовали инерцию - способность объекта сохранять движение при отсутствии внешних воздействий.

«Была замедлена скорость колебания молекул, подобно тому, как можно замедлить вращающуюся фигуристку, дав ей в руки гирю».

Исследователи заменили в центральной органической молекуле перовскита более легкий изотоп водорода, обычно протий, который не имеет нейтронов, на сравнительно тяжелый - дейтерий, который имеет один нейтрон. Изотопы - это химически идентичные атомы, которые различаются только массой из-за разницы в количестве нейтронов.

Затем она провели эксперименты по трехосному рассеянию нейтронов в изотопном реакторе, чтобы составить карту дисперсии фононов в протонированных и дейтерированных кристаллах. Объединенные результаты измерений показали, что продольные акустические колебания с короткими длинами волн распространяются в дейтерированном образце медленнее, что предполагает снижение теплопроводности.

Было измерено распределение температуры внутри кристаллов, чтобы изучить, как в них перемещается тепло. «Эти измерения показали, что дейтерирование снижает и без того низкую теплопроводность на 50%». «Тогда стало понятно, что, возможно, это открытие влияет на процессы, которые волнуют производителей солнечных энергетических устройств, в частности, на поддержание энергетического уровня горячих носителей заряда».

Исследование предоставило беспрецедентное понимание влияния увеличенной атомной массы на теплопередачу. При изменении массы водорода был достигнут эффект, намного превзошедший ожидания: дейтерирование настолько замедлило перенос тепла, что время охлаждения носителей заряда удвоилось.

Частота колебаний органической молекулы метиламмония (MA) немного выше частоты общих коллективных колебаний. Однако, когда атом дейтерия заменяет легкий изотоп водорода, его большая масса замедляет колебание МА. Он колеблется с частотой, близкой к частоте коллективных вибраций. Синхронизированные фононы замедляются, становясь менее эффективными, когда тепло отводится.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz1842

Источник: Oak Ridge National Laboratory