Kuumien elektronien kerääminen aurinkopaneeleissa

Kun valo osuu aurinkopaneeliin, fotonien energia virittää aurinkokennomateriaalin elektronit, jolloin energia siirtyy niihin. Tämä reaktio voi vapauttaa elektronin aurinkokennomateriaalista ja luoda jännitteen.

Hyvin energiset fotonit antavat elektroneille kuitenkin lisäenergiaa, jolloin syntyy "kuumia elektroneja". Teoriassa näiden kuumien elektronien kuljettama lisäenergia voisi nostaa jännitettä. Käytännössä lisäenergia häviää lämpönä pikosekunneissa. "Tämä tarkoittaa, että energia häviää ennen kuin kuuma elektroni poistuu aurinkokennomateriaalista", sanoo Jan Anton Koster, uusien puolijohteiden ja laitteiden fysiikan professori Groningenin yliopistosta.

Kokeellisessa järjestelyssä hänen kollegansa, fotofysiikan ja optoelektroniikan professori Maria Antonietta Loi, onnistui kuitenkin aikaansaamaan viiveen kuumien elektronien lämmönhukassa. Hän loi aurinkokennomateriaalin, tinapohjaisen perovskiitin, ja havaitsi, että ylimääräisen energian menetys hidastuu nanosekunteihin, noin kertoimella 1 000. "Mittaukset olivat selkeitä, mutta emme ymmärtäneet tämän taustalla olevaa fysiikkaa", Koster sanoo. Tämä sai muut alan tutkijat kyseenalaistamaan tämän väitteen. "Aloimme jopa itsekin epäillä mittauksia", hän myöntää.

Ratkaistakseen tämän arvoituksen Koster ja hänen tohtoriopiskelijansa Tim Faber käyttivät simulaatioita tutkiakseen tämän energianhukan fysiikkaa. He havaitsivat, että perovskiitti-aurinkokennoissa kaksi eri mekanismia yhdessä pidentävät aikaa, joka kuumilta elektroneilta kuluu ylimääräenergian menettämiseen.

Kun energiaa menetetään lämpönä, elektronien ympäröivä ympäristö lämpenee. Koster ja Faber ymmärsivät, että elektronit voivat absorboida tämän viipyilevän lämmön takaisin. "Kun lisäsimme simulaatioihin tämän tunnetun prosessin nimeltä kuuma fononipullonkaula, se hidasti energian menetystä, mutta ei riittävästi selittämään mittauksiamme." Tämä edellytti toisen mekanismin lisäämistä simulaatioon.

Kuumien elektronien lisäenergia voi viedä ne useisiin viritystiloihin. Energian menetys tarkoittaa, että viritystila laskee alemmalle energiatasolle erillisissä vaiheissa. Kuitenkin, kun tämän prosessin eri vaiheet ovat jo varattuja, tie alas alimmalle energiatasolle on vaikeampi ja vie enemmän aikaa. Tätä kutsutaan Burstein-Moss -ilmiöksi. Koster: "Kun lisäsimme tämän prosessin myös simulaatioon, näimme, että energian menetys oli nyt nanosekuntien luokkaa, kuten Maria Loin kokeissa nähtiin."

Koska molemmat näistä prosesseista esiintyvät tinapohjaisissa perovskiitti-aurinkokennoissa, Koster ja hänen tiiminsä ymmärsivät vihdoin, miksi kuumien elektronien energiahäviö hidastui. On monia muita kysymyksiä, joihin ei ole vielä vastattu, mutta teoriassa tämä löytö voisi mahdollistaa tehokkaampien aurinkokennojen luomisen, jopa teoreettisen 33 prosentin rajan ylittämisen.

Aiheesta aiemmin:

Valosta tehokkaammin energiaa keräten

Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja

Yhdestä fotonista neljä varauksenkantajaa