Photonen mit Energie höher als die "Bandlücke" des Halbleiters, das sie absorbiert, führen zu einer sogenannten heißen Elektronen. Die zusätzliche Energie in Bezug auf die Bandlücke geht sehr schnell verloren, da sie in Wärme umgewandelt wird, sodass sie nicht zur Spannung beiträgt. Der Professor für Photophysik und Optoelektronik der Universität von Groningen, Maria Antonietta Loi, hat jetzt ein Material gefunden, in dem diese heißen Elektronen ihre hohe Energieniveaus viel länger behalten. Dies könnte es ermöglichen, mehr Energie zu verbrauchen, um eine höhere Spannung zu erhalten. Ihre Ergebnisse wurden am 16. Januar in veröffentlichtNaturkommunikation.
Die Effizienz von Sonnenkollektoren wird durch ein Goldillocks -Problem behindert: Photonen müssen genau über die richtige Menge an Energie in freie Elektronen umgewandelt werden, was zur Spannung beiträgt. Zu wenig Energie, und die Photonen gehen direkt durch das Solarpanel. Zu viel, und die überschüssige Energie verschwindet als Hitze.
Perovskite
Letzteres ist auf die Schaffung heißer (energiereicher) Elektronen zurückzuführen. Bevor sie aus den Solarzellen extrahiert werden können, geben diese heißen Elektronen zuerst ihre überschüssige Energie aus, indem sie Vibrationen im kristallinen Material der Solarzelle verursachen. "Dieser Energieverlust belengt die maximale Effizienz von Solarzellen", erklärt LOI.
Sie arbeitet an einer speziellen Art von Solarzellen, die aus organischen hybriden Perovskiten besteht. Perovskite sind nach einem Mineral mit der chemischen Formel ABX3 benannt. In der X -Position bilden Anionen ein Oktaeder, während in den A -Positionskationen einen Würfel um sie herum bilden, während ein zentrales Kation die B -Position einnimmt. Viele Materialien in der Perovskitfamilie übernehmen diese Kristallstruktur. Hybridperovskite enthalten organische Kationen in der A -Position.
Lebensdauer
Die meisten Hybrid-Perovskit-Solarzellen enthalten Blei, was toxisch ist. Die Gruppe von Loi hat kürzlich ein Papier veröffentlicht, in dem eine Rekord-neun-prozentige Effizienz in einer Hybrid-Perovskit-Solarzelle mit harmloser Dose statt Blei enthält. "Als wir dieses Material weiter untersuchten, haben wir etwas Seltsames beobachtet", fährt sie fort. Die Ergebnisse konnten nur bedeuten, dass die heißen Elektronen, die in den Solarzellen auf Zinnbasis produziert wurden, ungefähr tausendmal länger als gewöhnlich dauerten, um ihre überschüssige Energie zu lindern.
'Die heißen Elektronen gaben ihre Energie nach mehreren Nanosekunden anstelle von einigen hundert Femtosekunden ab. Es hofft jeder auf diesem Gebiet, so langlebige heiße Elektronen zu finden “, sagt Loi. Ihre längere Lebensdauer ermöglicht es, die Energie dieser Elektronen zu ernten, bevor sie sich in Wärme verwandelt. "Dies bedeutet, dass wir Elektronen mit einer höheren Energie ernten und somit eine höhere Spannung in der Solarzelle erzeugen können." Theoretische Berechnungen zeigen, dass durch die Ernte der heißen Elektronen die maximale Effizienz für Hybrid-Perovskit-Solarzellen von 33 auf 66 Prozent zunehmen kann.
Saubere Energie
Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, warum der hybride Perowskit auf der Zinnbasis den Zerfall heißer Elektronen verlangsamt. Dann könnten neue Perovskitmaterialien mit noch langsameren heißen Elektronen ausgelegt werden. "Diese Perowskiten auf Zinnbasis könnten ein Spielveränderer sein und letztendlich einen großen Beitrag zur Bereitstellung sauberer und nachhaltiger Energie in der Zukunft leisten."
Referenz: „Langlebige Hot-Carrier-Lichtemission und große blaue Verschiebung in Formamidiniumzinntriiodid Perovskiten“ von Hong-Hua Fang, Sampson Adjokatse, Shuyan Shao, Jacky Saor und Maria Antonietta Loi, 16. Januar 2018,,Naturkommunikation.
Doi: 10.1038/s41467-017-02684-w
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