Pētnieki no Groningenas Universitātes Nīderlandē noskaidrojuši, ka alvas bāzes perovskīta saules šūnas var ievērojami palēnināt tā dēvēto karsto elektronu atdzišanu. Šīs daļiņas rodas, kad saules gaismas fotoni ierosina elektronus, un teorētiski to papildu enerģiju varētu izmantot lielākas elektroenerģijas ražošanai.

Praksē karstie elektroni atdziest ārkārtīgi ātri — daļā no triljonās sekundes. Tie lieko enerģiju parasti atdod apkārtējai videi siltuma veidā, pirms elektroni paspēj izkļūt no saules šūnas materiāla. “Tas nozīmē, ka enerģija tiek zaudēta, pirms karstais elektrons iziet no saules šūnas materiāla,” skaidroja Groningenas Universitātes jauno pusvadītāju un ierīču fizikas profesors Jans Antons Kosters.

Divkāršs mehānisms palēnina atdzišanu

Sadarbībā ar fotofizikas un optoelektronikas profesori Mariju Antoniettu Loi pētnieki izveidoja eksperimentālu iekārtu, kurā izmantoja īpašu alvas bāzes perovskīta materiālu. Loi laboratorijai izdevās palēnināt siltuma zudumu par 1000 reižu — papildu enerģija saglabājās nanosekundes, nevis pazuda pikosekundēs.

Rezultāts pētniekus pārsteidza tik ļoti, ka viņi sākotnēji apšaubīja pašu mērījumu ticamību. Lai izprastu notiekošo, Kosters un doktorants Tims Fābers izveidoja digitālas simulācijas, kas ļāva analizēt materiālā notiekošos kvantu procesus.

Simulācijas atklāja divu mehānismu vienlaicīgu darbību. Pirmais ir tā dēvētais karsto fononu sliekšņa efekts. Elektroniem izdalot siltumu, apkārtējā vide uzsilst tik ātri, ka elektroni daļu zaudētās termiskās enerģijas atkārtoti absorbē.

Otrs mehānisms ir Buršteina–Mosa efekts. Zemākas enerģijas stāvokļi jau ir aizņemti ar ierosinātiem elektroniem, tādēļ elektronu pāreja uz šiem stāvokļiem tiek bloķēta. Kopā abi procesi palēnina atdzišanu, un simulāciju rezultāti sakrita ar laboratorijā novēroto nanosekunžu aizkavi.

Alvas materiālu priekšrocības

Pētījumā izmantotas Ensemble Monte Carlo simulācijas un laikā izšķirtā fotoluminiscence. Tās parādīja, ka enerģijas līmeņu aizpildījums kopā ar karsto fononu sliekšņa efektu rada īpaši ilgu karsto lādiņnesēju atdzišanas laiku alvas bāzes metālu halogenīdu perovskītos.

Šie materiāli ir netoksiski, videi draudzīgi kristāliski savienojumi, ko var izmantot augstas veiktspējas saules enerģijas pārveidē. To trīsdimensiju kristālrežģī alvas joni savienojas ar halogēniem un organiskiem vai neorganiskiem komponentiem. Materiālam ir arī neparasti maza elektronu masa, tādēļ lādiņi tajā pārvietojas ātri un ilgāk saglabā lieko termisko enerģiju.

Plaša gaismas absorbcija, efektīva lādiņu kustība un ilgāka enerģijas saglabāšana padara šos materiālus par kandidātiem nākamās paaudzes saules paneļiem. Tomēr komerciālas saules šūnas, kas izmantotu šo ilgstoši saglabāto siltumu, vēl nav tuvākās nākotnes tehnoloģija.

Pētnieki uzsver, ka vēl jāatbild uz daudziem jautājumiem, taču teorētiski atklājums varētu ļaut izveidot efektīvākas saules šūnas, kas pārsniedz 33% robežu. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā ACS Energy Letters.