Η ανακάλυψη ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Groningen θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για ηλιακά κύτταρα με απόδοση πάνω από το θεωρητικό όριο του 33%
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία διαπίστωσαν ότι τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη με βάση τον κασσίτερο μπορούν να επιβραδύνουν την απώλεια θερμότητας από τα υψηλής ενέργειας «θερμά ηλεκτρόνια».
Αυτό θα μπορούσε να αυξήσει την απόδοση των ηλιακών κυττάρων πέρα από το θεωρητικό όριο του 33%.
Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει σε ένα πάνελ, τα φωτόνια θέτουν τα ηλεκτρόνια σε κίνηση. Τα φωτόνια με την υψηλότερη ενέργεια δημιουργούν υπερφορτισμένα θερμά ηλεκτρόνια.
Θεωρητικά, αυτά τα υψηλής τάσης «εργοστάσια παραγωγής ενέργειας» θα έπρεπε να παράγουν πολύ περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Στην πράξη, όμως, αποτελούν μια εφήμερη υπόσχεση.
Σε κλάσματα του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, αυτά τα σωματίδια υψηλής ενέργειας ψύχονται γρήγορα, αποβάλλοντας την επιπλέον ενέργειά τους ως απορριπτόμενη θερμότητα προτού προλάβουν να εξέλθουν από το ηλιακό κύτταρο.
«Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια χάνεται προτού το θερμό ηλεκτρόνιο εξέλθει από το υλικό του ηλιακού κυττάρου», δήλωσε ο Jan Anton Koster, καθηγητής Φυσικής Νέων Ημιαγωγών και Διατάξεων στο Πανεπιστήμιο του Groningen.
Διπλός μηχανισμός φυσικής
Σε συνεργασία με τη Maria Antonietta Loi, καθηγήτρια Φωτοφυσικής και Οπτοηλεκτρονικής, η ομάδα δημιούργησε μια πειραματική διάταξη.
Χρησιμοποιώντας ένα εξειδικευμένο υλικό ηλιακών κυττάρων που ονομάζεται περοβσκίτης με βάση τον κασσίτερο, το εργαστήριο της Loi πέτυχε κάτι που πολλοί θεωρούσαν αδύνατο: επιβράδυνε την απώλεια θερμότητας κατά έναν παράγοντα 1.000.
Ξαφνικά, η επιπλέον ενέργεια παρέμενε για νανοδευτερόλεπτα αντί να εξαφανίζεται σε πικοδευτερόλεπτα.
Οι σκεπτικιστές αμφισβήτησαν αμέσως το αποτέλεσμα. Ακόμη και οι ίδιοι οι ερευνητές αμφισβήτησαν τα δικά τους δεδομένα. «Αρχίσαμε ακόμη και εμείς οι ίδιοι να αμφιβάλλουμε για τις μετρήσεις», παραδέχεται ο Koster.
Για να λύσουν το αίνιγμα, ο Koster και ο διδακτορικός φοιτητής Tim Faber δημιούργησαν ψηφιακές προσομοιώσεις για να ξεδιπλώσουν τα κβαντικά επίπεδα. Και ανακάλυψαν έναν εκπληκτικό διπλό μηχανισμό που βρισκόταν σε λειτουργία.
Πρώτον, ένα «φράγμα θερμών φωνονίων» δημιουργεί μια παγίδα θερμότητας. Καθώς τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν θερμότητα, το περιβάλλον τους θερμαίνεται τόσο γρήγορα ώστε τα ηλεκτρόνια καταλήγουν να επαναπορροφούν τη δική τους χαμένη θερμική ενέργεια. Δεύτερον, το «φαινόμενο Burstein-Moss» δημιουργεί ένα ατομικό μποτιλιάρισμα. Επειδή οι καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας είναι ήδη γεμάτες με διεγερμένα ηλεκτρόνια, η πορεία προς τα κάτω μπλοκάρεται.
Μαζί, αυτοί οι δύο μηχανισμοί επιβραδύνουν τη διαδικασία ψύξης. Λειτουργεί. Οι προσομοιώσεις ταίριαξαν με την ακριβή καθυστέρηση νανοδευτερολέπτων που παρατηρήθηκε στο εργαστήριο.
Πλεονέκτημα των κυττάρων με βάση τον κασσίτερο
Η μελέτη αυτή χρησιμοποιεί προσομοιώσεις Ensemble Monte Carlo και φωτοφωταύγεια με χρονική ανάλυση για να δείξει ότι η πλήρωση των ενεργειακών ζωνών, σε συνδυασμό με το φαινόμενο φράγματος θερμών φωνονίων, εξηγεί τους εξαιρετικά μεγάλους χρόνους ψύξης των θερμών φορέων σε περοβσκίτες αλογονιδίων μετάλλων με βάση τον κασσίτερο.
Μέσω προηγμένων προσομοιώσεων υπολογιστών και μετρήσεων που βασίζονται στο φως, οι ερευνητές ανακάλυψαν γιατί τα ηλιακά υλικά με βάση τον κασσίτερο μπορούν να διατηρούν την επιπλέον ενέργεια για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από το συνηθισμένο.
Αυτά τα εξειδικευμένα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μιας νέας γενιάς ηλιακών κυττάρων εξαιρετικά υψηλής απόδοσης.
Οι περοβσκίτες αλογονιδίων μετάλλων με βάση τον κασσίτερο είναι μη τοξικά, φιλικά προς το περιβάλλον κρυσταλλικά υλικά για υψηλής απόδοσης μετατροπή της ηλιακής ενέργειας.
Αυτοί οι προηγμένοι ημιαγωγοί διαθέτουν μια εξειδικευμένη τρισδιάστατη δομή πλέγματος, στην οποία τα ιόντα κασσίτερου συνδυάζονται με αλογόνα και οργανικά ή ανόργανα συστατικά.
Το υλικό διαθέτει ασυνήθιστα μικρή μάζα ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρικά φορτία κινούνται γρήγορα και διατηρούν την επιπλέον θερμική ενέργεια για παρατεταμένες χρονικές περιόδους.
Αυτός ο συνδυασμός ευρείας απορρόφησης φωτός, αποτελεσματικής μετακίνησης φορτίων και παρατεταμένης διατήρησης ενέργειας καθιστά αυτά τα υλικά βασικούς υποψηφίους για ηλιακά πάνελ επόμενης γενιάς.
Τα εμπορικά ηλιακά πάνελ που θα αξιοποιούν αυτή την παραμένουσα θερμότητα απέχουν ακόμη αρκετά. «Υπάρχουν πολλά ακόμη ερωτήματα που χρειάζονται απαντήσεις, αλλά θεωρητικά, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία αποδοτικότερων ηλιακών κυττάρων, πέρα από το θεωρητικό όριο του 33%», δήλωσε η ομάδα.
(Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Energy Letters)
www.worldenergynews.gr
