I solceller, ungefär två tredjedelar av solljusets energi går förlorad. Hälften av denna förlust beror på en process som kallas "hot carrier cooling" där högenergifotoner förlorar sin överskottsenergi i form av värme innan de omvandlas till elektricitet. Forskare vid AMOLF har hittat ett sätt att manipulera hastigheten på denna process i perovskiter genom att applicera tryck på materialet. Detta banar väg för att göra perovskites mer mångsidiga, inte bara för användning i solceller utan även i en mängd andra applikationer, från lasrar till termoelektriska enheter. Forskarna kommer att publicera sin studie i Journal of Physical Chemistry Letters den 23 april.

Perovskiter är ett lovande material för framtida generationens solceller, eftersom de är gjorda av billiga ingredienser och det är lätt att ändra sin sammansättning för att passa specifika behov, som solceller i valfri färg. Forskare i gruppen Hybrid Solar Cells vid AMOLF försöker öka effektiviteten och livslängden för hybridperovskithalvledare genom att avslöja de grundläggande egenskaperna hos perovskiter. En av dessa egenskaper är den hastighet med vilken så kallad varmbärarkylning sker, vilket också är relevant om perovskiter används i andra applikationer.

Varmbärarkylning

I solceller, energin av ljus som matchar halvledarens bandgap omvandlas direkt till elektricitet. Denna direkta väg är inte tillgänglig för fotoner med högre energi. Dessa fotoner genererar så kallade heta bärare:högenergielektroner (och hål) som måste svalna innan de kan skördas i form av elektrisk energi. Varmbärarkylning sker spontant:de heta bärarna förlorar sin överskottsenergi i form av värme genom spridning tills de matchar halvledarens ledningsenerginivå. Försöker förstå denna process i perovskites, Ph.D. student Loreta Muscarella stöter på olika svårigheter, en av dem är tidsramen. Hon säger, "Hot carrier kylning sker mycket snabbt, typiskt på en tidsskala från femtosekunder till pikosekunder, vilket gör det svårt att manipulera eller till och med undersöka processen. Vi har turen att ha en unik uppsättning med en Transient Absorption Spectrometer (TAS) i kombination med tryckutrustning i vår grupp. Detta gör det möjligt för oss att mäta de elektroniska egenskaperna hos perovskite under yttre påfrestning några femtosekunder efter att ha skiner ljus på materialet."

Manipulerar med tryck

Det var redan känt att under riklig belysning är varm bärarkylning i perovskite halvledare mycket långsammare än i kiselhalvledare. Detta gör undersökningen av processen mycket mer genomförbar i perovskit snarare än kisel. Muscarella och hennes kollegor antog att hastigheten på kylningsprocessen kan vara tryckberoende. "De heta bärarna förlorar sin överskottsenergi genom vibrationer och spridning. Att applicera tryck ökar vibrationerna inuti materialet, och bör på så sätt öka hastigheten på varmbärarkylning, " säger hon. "Vi bestämde oss för att testa detta antagande och fann att vi verkligen kan manipulera kylningstiden med tryck. Vid 3000 gånger omgivande tryck är processen två till tre gånger snabbare."

En solcell skulle inte kunna fungera vid så höga tryck, men en liknande effekt kan erhållas med inre spänning. Muscarella:"Vi gjorde våra experiment med yttre tryck, men i perovskiter är det möjligt att framkalla en inre stam genom att kemiskt förändra materialet eller dess tillväxt, som vi tidigare har visat i vår grupp."

Kylhastighet för olika applikationer

Att kunna kontrollera den heta bärarens kylningshastighet möjliggör olika andra tillämpningar av perovskiter förutom solceller. "Möjligheten att designa perovskiter för specifika färger gör dem inte bara mycket intressanta för färgade solceller, men även för laser eller LED-teknik. I sådana applikationer, snabb kylning av varma bärare är väsentligt, precis som det är i konventionella solceller. Långsam kylning å andra sidan skulle göra perovskiter lämpliga för termoelektriska enheter som omvandlar en temperaturskillnad till elektricitet. Så möjligheten att ställa in den heta bärarens kylningshastighet möjliggör en hel rad enheter som kan tillverkas med perovskiter, " säger Muscarella. Hon föreställer sig till och med att lägga ett negativt tryck på materialet för att göra den heta bärarens kylning ännu långsammare för en specifik typ av solcell.

"Eftersom värmeavledning står för nästan trettio procent av effektivitetsförlusten i solceller, forskare letar efter sätt att skörda de varma bärarna innan de har svalnat. För närvarande, även den "långsamma" nedkylningen i perovskiter vid omgivningstryck är fortfarande för snabb för sådana så kallade solceller med varmbärare. Nu, dessa heta bärare förlorar sin överskottsenergi som värme inom pikosekunder. Dock, om vi kunde inducera en negativ belastning skulle det vara möjligt att göra processen långsam nog att appliceras i en fungerande enhet."