Forskare har kvantifierat de förvånansvärt höga hastigheter vid vilka framtida solceller skulle behöva arbeta för att sträcka ut det som för närvarande ses som naturliga gränser för deras energiomvandlingseffektivitet.

Studien, som undersökte solceller baserade på en typ av material som kallas perovskiter, föreslår att dessa kan uppnå oöverträffade nivåer av supereffektivitet. Men för att göra det, de kommer att behöva förvandla solljus till elektroner och sedan extrahera dessa som elektrisk laddning inom bara kvadrilliondelar av en sekund – några "femtosekunder", att ge dem deras vetenskapliga namn.

Rörliga elektroner med denna ultrasnabba hastighet skulle möjliggöra skapandet av "heta bärar" -celler. Dessa är solceller som kan generera elektricitet mer effektivt genom att använda den extra kinetiska energin som elektroner har för ett kort ögonblick strax efter att de skapats, medan de rör sig i hög hastighet.

Mängden elektrisk energi som kan extraheras från en varm bärarcell, i förhållande till mängden absorberat ljus, skulle potentiellt kunna matcha eller till och med bryta en energieffektivitet på 30 %. I grova termer, detta är den maximala energieffektivitet som solceller kan tänkas uppnå - även om vanliga kiselceller normalt har effektivitet närmare 20% i praktiken.

Trots de inblandade tidsfraktionerna, författarna till den nya artikeln säger att det är möjligt att perovskiter i slutändan kan driva denna effektivitetsbarriär.

Studien, publicerad i tidningen Naturkommunikation , genomfördes av akademiker i Italien och Storbritannien. Det brittiska teamet involverade forskare i Cavendish Laboratory's Optoelectronics forskargrupp av professor Sir Richard Friend, en stipendiat från St John's College, Cambridge. Det italienska teamet är baserat på Politecnico di Milano i gruppen av professor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, en doktorand i gruppen Optoelektronik och tidningens huvudförfattare, sa:"Tidsskalan som vi beräknat är nu den tidsgräns som vi måste verka inom om vi vill skapa supereffektiva, heta bärare solenergi. Vi skulle behöva få ut elektroner innan den här lilla tiden går. "

"Vi pratar om att göra det här extremt snabbt, men det är inte omöjligt att det kan hända. Perovskitceller är väldigt tunna och det ger oss hopp, eftersom avståndet som elektronerna måste täcka är därför mycket kort. "

Perovskiter är en materialklass som innan länge kan ersätta kisel som material för många solcellsanordningar. Även om perovskitsolceller bara har utvecklats under de senaste åren, de är redan nästan lika energieffektiva som kisel.

Dels för att de är betydligt tunnare, de är mycket billigare att göra. Medan kiselceller är ungefär en millimeter tjocka, perovskitekvivalenter har en tjocklek på cirka en mikrometer, ungefär 100 gånger tunnare än ett människohår. De är också mycket flexibla, vilket innebär att förutom att användas för att driva byggnader och maskiner, perovskitceller kan så småningom införlivas i saker som tält, eller till och med kläder.

I den nya studien, forskarna ville veta hur länge de elektroner som produceras av dessa celler behåller sin högsta möjliga energinivå. När solljuset träffar cellen, ljuspartiklar (eller fotoner), omvandlas till elektroner. Dessa kan dras ut genom en elektrod för att skörda elektrisk laddning.

För en kort stund efter att de skapats, elektronerna rör sig mycket snabbt. Dock, de börjar sedan kollidera, och tappar energi. Elektroner som bibehåller sin hastighet, före kollisionen, är kända som "heta" och deras tillförda kinetiska energi gör att de har potential att producera mer laddning.

"Tänk om du hade ett biljardbord och varje boll rörde sig i samma hastighet, ”Förklarade Richter.” Efter en viss tid, de kommer att slå varandra, vilket får dem att sakta ner och ändra riktning. Vi ville veta hur länge vi måste extrahera elektronerna innan detta händer. "

Cambridge -teamet utnyttjade en metod som utvecklats av sina kollegor i Milano som kallas tvådimensionell spektroskopi. Detta innebär att man pumpar ljus från två lasrar till prover av blyjodidperovskitceller för att simulera solljus, och sedan använda en tredje "sond" laser för att mäta hur mycket ljus som absorberas.

När elektronerna har kolliderat och bromsat, och börjar därmed ta plats i cellen, mängden ljus som absorberas förändras. Den tid det tog för detta att hända i studien gjorde det möjligt för forskarna att fastställa hur mycket tid som är tillgänglig för att extrahera elektroner medan de fortfarande är "heta".

Studien fann att elektronkollisionshändelser började inträffa mellan 10 och 100 femtosekunder efter att ljus initialt absorberades av cellen. För att maximera energieffektiviteten, elektronerna skulle alltså behöva nå elektroden på så lite som 10 kvadriljarddelar av en sekund.

Forskarna är ändå optimistiska att detta kan vara möjligt. Förutom att dra fördel av den inneboende tunnheten av perovskit, de tror att nanostrukturer kan skapas i cellerna för att ytterligare minska det avstånd som elektronerna behöver för att resa.

"Detta tillvägagångssätt är bara en idé för närvarande, men det är den typen av saker som vi skulle kräva för att övervinna de mycket små tidsskalor som vi har mätt, "Tillade Richter.

Pappret, "Ultrasnabb bärartermikalisering i blyjodidperovskit sonderad med tvådimensionell elektronisk spektroskopi, "publiceras i Naturkommunikation .