Эффективность солнечных элементов может превысить 33%
19 сентября 2026, 23:33Наука и космосDexter0
Учёные из Университета Гронингена в Нидерландах установили, почему перовскитные солнечные элементы, основанные на олоне, способны необычайно долго сохранять энергию так называемых горячих электронов. Это открытие теоретически может позволить создать солнечные элементы с эффективностью выше традиционного предела около 33%.
Когда свет попадает на солнечный элемент, фотоны передают свою энергию электронам. Особенно мощные фотоны создают «горячие» электроны, обладающие значительным избытком энергии. Теоретически, эту энергию можно было бы преобразовать в дополнительное электричество.
Однако на практике возникает серьёзная проблема: горячие электроны охлаждаются чрезвычайно быстро. Обычно этот процесс занимает пикосекунды — триллионные доли секунды. Избыточная энергия превращается в тепло ещё до того, как её удаётся извлечь из солнечного элемента.
Тем не менее, эксперименты с оловянными металлогалогенидными перовскитами продемонстрировали неожиданные результаты. В этих материалах охлаждение горячих носителей заряда удалось замедлить примерно в 1000 раз. Вместо пикосекунд повышенная энергия сохранялась на протяжении наносекунд.
Результат оказался настолько необычным, что исследователи изначально усомнились в точности своих измерений. Чтобы разобраться в механизме, учёные разработали компьютерную модель поведения носителей заряда.
Моделирование выявило взаимодействие двух физических эффектов. Первый называется «бутылочным горлышком горячих фононов». Когда электроны отдают избыток энергии кристаллической решётке, возникающие колебания не успевают быстро рассеяться. В результате электроны могут поглощать часть этой энергии обратно, что замедляет их охлаждение.
Второй механизм связан с заполнением энергетических состояний и эффектом Бурштейна — Мосса. Нижние доступные энергетические уровни оказываются занятыми другими возбуждёнными носителями, поэтому горячим электронам становится сложнее быстро перейти в менее энергетическое состояние.
Совместное действие обоих механизмов фактически создаёт преграду для охлаждения. Компьютерное моделирование воспроизвело наблюдаемое в эксперименте увеличение времени жизни горячих носителей до наносекунд.
Особые характеристики оловянных перовскитов также связывают с низкой эффективной массой носителей заряда. Благодаря этому электроны способны быстро перемещаться в материале и дольше сохранять избыточную энергию.
Если инженеры смогут извлекать эту энергию до её превращения в тепло, станет возможным создание так называемых солнечных элементов на горячих носителях. Теоретически, они могут превзойти предел Шокли—Квайссера, который для обычного однопереходного фотоэлемента составляет примерно 33%.
Однако до появления коммерческих панелей, основанных на этом принципе, ещё далеко. Ученым предстоит решить задачу эффективного извлечения горячих электронов и разобраться с другими ограничениями технологии. Новое исследование пока объясняет физический механизм длительного сохранения энергии, а не представляет готовую солнечную батарею с КПД выше 33%.
Источники:Interesting EngineeringНаука и космос0Наука29 минут назад
Источник