Fotoner med högre energi än bandgapet i halvledaren som absorberar dem ger upphov till så kallade heta elektroner. Den extra energin för bandgapet försvinner väldigt snabbt, eftersom den omvandlas till värme och inte bidrar till spänningen. University of Groningen Fotofysik och optoelektronik Professor Maria Antonietta Loi har nu hittat ett material där dessa heta elektroner behåller sina höga energinivåer mycket längre. Detta kan göra det möjligt att använda mer av sin energi för att få en högre spänning. Hennes resultat publicerades den 16 januari Naturkommunikation .

Solpanelernas effektivitet försvåras av ett Goldilocks -problem:Fotoner måste ha precis rätt mängd energi för att omvandlas till fria elektroner, som bidrar till spänningen. För lite energi, och fotonerna passerar rakt igenom solpanelen. För mycket, och överskottsenergin försvinner som värme. Detta beror på skapandet av heta (högenergiska) elektroner. Innan de kan extraheras från solcellerna, dessa heta elektroner avger först sin överskottsenergi genom att orsaka vibrationer i solpanelens kristallina material. "Denna energiförlust sätter en gräns för solcellernas maximala effektivitet, "förklarar Loi.

Hon arbetar med en speciell typ av solceller som är gjorda av organiskt-oorganiska hybridperovskiter. Perovskiter är uppkallade efter ett mineral som har den kemiska formeln ABX ₃ . I position X, anjoner bildar en oktaeder, i A -läge, katjoner bildar en kub runt dem, medan en central katjon intar B -positionen. Många material i perovskitfamiljen antar denna kristallstruktur. Hybridperovskiter innehåller organiska katjoner i A -läget.

De flesta hybrid-perovskit solceller innehåller bly, vilket är giftigt. Lois grupp publicerade nyligen ett dokument som beskriver en rekordhög 9 procent effektivitet i en hybrid-perovskit-solcell som innehåller ofarligt tenn istället för bly. "När vi studerade detta material ytterligare, vi såg något konstigt, "fortsätter hon. Resultaten kan bara betyda att de heta elektronerna som produceras i de tennbaserade solcellerna tog ungefär tusen gånger längre tid än vanligt för att släppa ut sin överskottsenergi.

"De heta elektronerna avgav sin energi efter flera nanosekunder istället för några hundra femtosekunder. Att hitta så långlivade heta elektroner är vad alla i detta område hoppas på, "säger Loi. Deras längre livslängd gör det möjligt att skörda dessa elektroners energi innan den förvandlas till värme." Det betyder att vi skulle kunna skörda elektroner med en högre energi och därmed skapa en högre spänning i solcellen. "Teoretiska beräkningar visar att med skördar de heta elektronerna, maximal effektivitet för hybrid-perovskit solceller kan öka från 33 till 66 procent.

Nästa steg är att ta reda på varför den tennbaserade hybridperovskiten bromsar nedbrytningen av heta elektroner. Då skulle nya perovskitmaterial kunna utformas med ännu långsammare heta elektroner. "Dessa tennbaserade perovskiter kan vara en spelväxlare, och kan i slutändan göra ett stort bidrag till att tillhandahålla ren och hållbar energi i framtiden. "