Tvådimensionella solmaterial kan erbjuda ett sätt att utvinna mer energi från solljus. Genom att ställa in strukturen hos ett 2-D perovskite solmaterial, forskare från KAUST och Georgia Institute of Technology har visat att de kan förlänga livslängden för högenergiska heta bärare som genereras av ljus som träffar materialet. Tillvägagångssättet skulle kunna erbjuda ett sätt att fånga solenergi mer effektivt.

Hybrida organisk-oorganiska perovskiter är attraktiva solmaterial eftersom de potentiellt är mycket billigare att producera än kisel. Dock, det kvarstår frågor om perovskites långsiktiga stabilitet.

"Som ett alternativ till 3-D hybrid perovskites, 2-D hybridperovskiter har förbättrad stabilitet och fuktbeständighet, säger Jun Yin, medlem i Omar Mohammeds och Osman Bakrs forskargrupper. Dock, varmbärarkylning i dessa material har inte studerats i detalj, tillägger Partha Maity, en postdoktor i KAUST-teamet.

Varma bärare bildas på grund av solljusets breda spektrum av energier, som sträcker sig från lågenergiinfrarött och rött ljus i ena änden av spektrumet, till violett och ultraviolett i högenergiänden. Solpaneler fångar energi när inkommande ljus stöter en elektron till ett exciterat tillstånd, men även rött ljus kan excitera en elektron till ett ledande band. Högre energiljus kan generera superexciterade heta bärare, men de tappar sin extra energi mycket snabbare än vad konventionella solenergimaterial kan fånga upp dem.

Mohammed och teamet undersökte om en förändring av den organiska komponenten i hybrid 2-D perovskiter kunde bromsa kylning av heta bärare, gör att all deras energi kan fångas.

Med hjälp av ultrasnabb laserspektroskopi, de undersökte blyjodidperovskitmaterial med tre olika organiska komponenter:etanolamin (EA), aminopropanol (AP) och fenyletylamin (PEA). "Ultrasnabb spektroskopi är ett mycket kraftfullt och bekvämt sätt att direkt spåra avslappning av heta bärare, " säger Mohammed. "Vi kan följa deras ultrasnabba dynamik i realtid."

Teamet såg en betydande skillnad mellan de tre olika materialen. "Vi fann att (EA) ₂ PbI ₄ enkristall genomgick en mycket långsammare varmbärarkylningsprocess, " säger Yin. Med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik, teamet visade att den EA-baserade strukturen undertryckte en rad mekanismer genom vilka heta bärare vanligtvis förlorar energi till den omgivande perovskitstrukturen.

"Eftersom vi lärde oss från denna studie hur man bromsar den heta bärardynamiken i 2-D perovskiter, vi kommer nu att fokusera på utvinningen av dessa bärare i en riktig solcellsarkitektur och på deras möjliga bidrag till den totala konverteringseffektiviteten, " säger Mohammed. Teamet kommer också att undersöka hot carrier dynamik och extraktion i 2-D perovskites med olika kompositioner, han lägger till.