Исследователи из Университета Гронингена обнаружили механизм, благодаря которому перспективный материал для солнечных элементов способен примерно в 1000 раз замедлять потерю избыточной энергии возбуждёнными электронами. Если этот эффект удастся использовать в практических фотоэлементах, часть энергии, которая сегодня практически мгновенно превращается в бесполезное тепло, можно будет направлять на производство электричества.

Открытие интересно возможностью приблизиться к созданию так называемых солнечных элементов с горячими носителями заряда. Такие устройства рассматриваются как один из способов выйти за пределы эффективности традиционных однопереходных солнечных элементов. Учёные выяснили, что необычно долгое время жизни «горячих» электронов обеспечивается не одним новым физическим явлением, а сочетанием двух уже известных эффектов — фононного «узкого горлышка» и эффекта Бурштейна — Мосса.

Куда исчезает часть энергии солнечного света

Работа обычного солнечного элемента основана на взаимодействии света с полупроводником. Фотоны передают свою энергию электронам, переводя их в возбуждённое состояние и создавая носители заряда, которые затем можно использовать для получения электрического тока.

Но фотоны солнечного света обладают разной энергией. Если фотон передаёт электрону больше энергии, чем требуется для преодоления запрещённой зоны полупроводника, появляется высокоэнергетический, или «горячий», носитель заряда.

Теоретически эту дополнительную энергию тоже хотелось бы превратить в электричество. На практике сделать это крайне сложно.

Возбуждённый электрон очень быстро взаимодействует с кристаллической решёткой материала и теряет избыток энергии. Она переходит в колебания решётки — фононы — и в конечном счёте превращается в тепло.

Процесс происходит настолько быстро, что обычная солнечная ячейка попросту не успевает извлечь значительную часть дополнительной энергии.

Почему эффективность солнечных элементов имеет предел

Потери при охлаждении носителей заряда являются одной из фундаментальных причин ограничения эффективности традиционных солнечных элементов.

Для идеального однопереходного фотоэлемента существует известный предел Шокли — Квайссера. В классических условиях его значение составляет около 33 %.

Это не означает, что никакая солнечная батарея в принципе не может иметь более высокий КПД. Ограничение относится к определённому классу однопереходных элементов и набору физических предположений.

Многопереходные элементы, концентраторы и некоторые перспективные архитектуры способны выходить за эти рамки. Ещё одним потенциальным решением считается использование энергии горячих носителей до того, как она успеет рассеяться в виде тепла.

И именно здесь особенно интересны результаты исследователей из Гронингена.

Электроны удалось заставить остывать гораздо медленнее

Учёные изучали перспективный материал на основе олова, в котором ранее было обнаружено необычно продолжительное охлаждение возбуждённых носителей.

Вместо практически мгновенной потери избыточной энергии горячие электроны в нём способны сохранять её приблизительно в 1000 раз дольше.

Само наблюдение необычного поведения, однако, оставляло главный вопрос: почему это происходит?

Новое исследование позволило разобраться в физике процесса. Оказалось, что исключительно медленное охлаждение возникает благодаря одновременному действию сразу нескольких свойств материала, среди которых особенно важны два известных физических механизма.

Первый механизм возвращает электронам потерянную энергию

Один из них называется эффектом фононного «узкого горлышка», или hot phonon bottleneck.

Когда возбуждённые электроны начинают отдавать энергию кристаллической решётке, вокруг них возникает большое количество высокоэнергетических фононов. При определённых условиях они не успевают достаточно быстро рассеять полученную энергию.

В результате образуется своеобразная локальная горячая среда.

Электроны могут повторно взаимодействовать с этими фононами и снова получать часть ранее потерянной энергии. Поэтому охлаждение электронного ансамбля существенно замедляется.

Проще говоря, энергия не сразу покидает систему безвозвратно, а некоторое время циркулирует между электронами и колебаниями кристаллической решётки.

Второй эффект создаёт энергетическую «пробку»

Одновременно начинает работать другой механизм — эффект Бурштейна — Мосса.

По мере охлаждения носителей доступные состояния на более низких энергетических уровнях начинают заполняться. Остальным электронам становится сложнее перейти вниз, поскольку подходящие состояния уже заняты.

Возникает нечто похожее на затор.

Исследователи сравнивают происходящее с посадкой пассажиров в самолёт. Когда ближайшие места уже заняты, следующим пассажирам приходится двигаться дальше по салону. В случае электронов заполненные энергетические состояния ограничивают доступные пути для дальнейшего охлаждения.

Сам по себе эффект Бурштейна — Мосса давно известен физикам. То же самое относится к фононному узкому горлышку.

Главный результат новой работы заключается в другом: исследователи показали, насколько сильным может оказаться их совместное действие в материале с подходящими электронными, фононными и химическими характеристиками.

Два механизма усиливают друг друга

Именно комбинация этих процессов позволяет объяснить необычно продолжительное сохранение энергии горячими носителями.

С одной стороны, накопившиеся фононы мешают энергии быстро покинуть электронную систему и способны передавать её обратно электронам. С другой — заполнение доступных состояний ограничивает возможности для дальнейшего снижения энергии носителей.

При интенсивном освещении эти процессы могут усиливаться, создавая условия, при которых электронная система остаётся «горячей» значительно дольше обычного.

Для солнечной энергетики дополнительное время чрезвычайно важно. Чем дольше электрон сохраняет избыточную энергию, тем больше потенциальное временное окно, в течение которого устройство может попытаться извлечь её в виде полезного электрического тока.

В 1000 раз более медленное охлаждение ещё не означает рост КПД в 1000 раз

Здесь есть принципиально важное уточнение. Результат исследования нельзя трактовать как возможность сделать солнечную панель в тысячу раз эффективнее.

Замедление примерно в 1000 раз относится ко времени охлаждения горячих носителей, а не непосредственно к коэффициенту полезного действия готовой солнечной батареи.

Между обнаружением долгоживущих горячих электронов в материале и созданием коммерческого фотоэлемента существует множество дополнительных технологических задач.

Необходимо научиться извлекать высокоэнергетические носители раньше, чем они всё-таки успеют остыть. Для этого потребуются подходящие селективные контакты, эффективный перенос заряда и архитектура устройства, которая не уничтожит полезный эффект материала.

Также потребуется доказать, что система сохраняет свои свойства не только в лабораторных экспериментах, но и в полноразмерных фотоэлементах при длительной эксплуатации.

Возможность выйти за пределы обычных солнечных элементов

Если проблему извлечения горячих носителей удастся решить, технология потенциально позволит использовать ту часть энергии солнечного света, которая в современных фотоэлементах преимущественно теряется при термализации.

Это открывает путь к солнечным элементам нового типа, способным преодолеть ограничения классической однопереходной архитектуры.

При этом исследование пока следует воспринимать прежде всего как объяснение фундаментального физического механизма, а не как появление готовой технологии производства сверхэффективных солнечных панелей.

Работа специалистов Университета Гронингена показывает, что длительное сохранение энергии горячих носителей действительно возможно и объясняется конкретным сочетанием свойств материала. Следующей задачей станет превращение этого эффекта в практический способ извлечения дополнительной электрической энергии.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале ACS Energy Letters. Если предложенный принцип удастся перенести из лабораторн