Bij zonnecellen, ongeveer twee derde van de energie van zonlicht gaat verloren. De helft van dit verlies is te wijten aan een proces dat 'hot carrier cooling' wordt genoemd, waarbij hoogenergetische fotonen hun overtollige energie verliezen in de vorm van warmte voordat ze worden omgezet in elektriciteit. Wetenschappers van AMOLF hebben een manier gevonden om de snelheid van dit proces in perovskieten te manipuleren door druk uit te oefenen op het materiaal. Dit maakt de weg vrij om perovskieten veelzijdiger te maken, niet alleen voor gebruik in zonnecellen maar ook in tal van andere toepassingen, van lasers tot thermo-elektrische apparaten. De onderzoekers publiceren hun studie in de Journal of Physical Chemistry Letters op 23 april.

Perovskieten zijn een veelbelovend materiaal voor toekomstige generatie zonnecellen, omdat ze zijn gemaakt van goedkope ingrediënten en het gemakkelijk is om hun samenstelling aan te passen aan specifieke behoeften, zoals zonnecellen in elke gewenste kleur. Onderzoekers van de groep Hybrid Solar Cells van AMOLF proberen de efficiëntie en levensduur van hybride perovskiet-halfgeleiders te verhogen door de fundamentele eigenschappen van perovskieten bloot te leggen. Een van deze eigenschappen is de snelheid waarmee zogenaamde hot carrier koeling plaatsvindt, wat ook relevant is als perovskieten in andere toepassingen worden gebruikt.

Hete dragerkoeling

Bij zonnecellen, de energie van licht die overeenkomt met de bandgap van de halfgeleider wordt direct omgezet in elektriciteit. Deze directe route is niet beschikbaar voor fotonen met een hogere energie. Deze fotonen genereren zogenaamde hete dragers:hoogenergetische elektronen (en gaten) die moeten afkoelen voordat ze kunnen worden geoogst in de vorm van elektrische energie. Hete dragerkoeling vindt spontaan plaats:de hete dragers verliezen hun overtollige energie in de vorm van warmte door verstrooiing totdat ze overeenkomen met het geleidingsenergieniveau van de halfgeleider. Proberen dit proces in perovskieten te begrijpen, doctoraat student Loreta Muscarella stuit op verschillende moeilijkheden, een van hen is de tijdschaal. Ze zegt, "Hot carrier-koeling gebeurt heel snel, meestal op een tijdschaal van femtoseconden tot picoseconden, wat het moeilijk maakt om het proces te manipuleren of zelfs te onderzoeken. We hebben het geluk dat we een unieke opstelling hebben met een Transient Absorption Spectrometer (TAS) in combinatie met drukapparatuur in onze groep. Dit stelt ons in staat om de elektronische eigenschappen van perovskiet te meten onder externe stress een paar femtoseconden nadat het licht op het materiaal schijnt."

Manipuleren met druk

Het was al bekend dat onder overvloedige verlichting de koeling van hete dragers in perovskiethalfgeleiders veel langzamer gaat dan in siliciumhalfgeleiders. Dit maakt het onderzoek van het proces veel beter mogelijk in perovskiet dan in silicium. Muscarella en haar collega's gingen ervan uit dat de snelheid van het koelproces drukafhankelijk zou kunnen zijn. "De hete dragers verliezen hun overtollige energie door trillingen en verstrooiing. Door druk uit te oefenen, nemen de trillingen in het materiaal toe, en zou dus de snelheid van het koelen van warme dragers moeten verhogen, " zegt ze. "We besloten deze veronderstelling te testen en ontdekten dat we de afkoeltijd inderdaad met druk kunnen manipuleren. Bij 3000 keer omgevingsdruk is het proces twee tot drie keer sneller."

Een zonnecel zou niet kunnen werken bij zulke hoge drukken, maar een soortgelijk effect kan worden verkregen met interne spanning. Muscarella:"We hebben onze experimenten gedaan met externe druk, maar bij perovskieten is het mogelijk om een ​​interne spanning te induceren door het materiaal of de groei ervan chemisch te veranderen, zoals we eerder in onze groep hebben laten zien."

Koelsnelheid voor verschillende toepassingen

Het kunnen regelen van de koelsnelheid van de hete drager maakt verschillende andere toepassingen van perovskieten mogelijk naast zonnecellen. "De mogelijkheid om perovskieten te ontwerpen voor specifieke kleuren maakt ze niet alleen erg interessant voor gekleurde zonnecellen, maar ook voor lasers of LED-technologie. Bij dergelijke toepassingen snelle afkoeling van hete dragers is essentieel, net als bij conventionele zonnecellen. Langzame afkoeling daarentegen zou perovskieten geschikt maken voor thermo-elektrische apparaten die een temperatuurverschil omzetten in elektriciteit. Dus de mogelijkheid om de koelsnelheid van de hot carrier af te stemmen, maakt een hele reeks apparaten mogelijk die gemaakt kunnen worden met perovskieten, ", zegt Muscarella. Ze stelt zich zelfs voor om een ​​negatieve druk op het materiaal uit te oefenen om het koelproces van de hete drager voor een specifiek type zonnecel nog langzamer te laten verlopen.

"Aangezien warmtedissipatie verantwoordelijk is voor bijna dertig procent van het efficiëntieverlies in zonnecellen, wetenschappers zoeken naar manieren om de hete dragers te oogsten voordat ze zijn afgekoeld. Momenteel, zelfs de 'trage' afkoeling in perovskieten bij omgevingsdruk is nog te snel voor zulke zogenaamde hot-carrier zonnecellen. Nutsvoorzieningen, deze hete dragers verliezen hun overtollige energie als warmte binnen picoseconden. Echter, als we een negatieve spanning zouden kunnen induceren, zou het mogelijk zijn om het proces langzaam genoeg te maken om in een werkend apparaat te worden toegepast."