Onderzoekers hebben de verbazingwekkend hoge snelheden gekwantificeerd waarmee toekomstige zonnecellen zouden moeten werken om wat momenteel wordt gezien als natuurlijke limieten voor hun energieconversie-efficiëntie op te rekken.

De studie, die fotovoltaïsche apparaten onderzocht op basis van een soort materiaal dat perovskieten wordt genoemd, suggereert dat deze ongekende niveaus van superefficiëntie kunnen bereiken. Maar om dat te doen, ze zullen zonlicht in elektronen moeten omzetten en deze vervolgens als elektrische lading binnen slechts quadriljoensten van een seconde extraheren - een paar "femtoseconden", om ze hun wetenschappelijke naam te geven.

Door elektronen met deze ultrasnelle snelheid te verplaatsen, kunnen "hot carrier"-cellen worden gecreëerd. Dit zijn zonnecellen die efficiënter elektriciteit kunnen opwekken door gebruik te maken van de toegevoegde kinetische energie die elektronen kort na hun ontstaan ​​hebben, terwijl ze zich met hoge snelheid voortbewegen.

De hoeveelheid elektrische energie die kan worden gewonnen uit een hete dragercel, in verhouding tot de hoeveelheid geabsorbeerd licht, zou een energie-efficiëntie van 30% kunnen evenaren of zelfs breken. In grove termen, dit is de maximale energie-efficiëntie die zonnecellen denkbaar kunnen bereiken, hoewel standaard siliciumcellen in de praktijk doorgaans een efficiëntie van bijna 20% hebben.

Ondanks de minuscule fracties van de tijd die ermee gemoeid zijn, de auteurs van het nieuwe artikel zeggen dat het mogelijk is dat perovskieten uiteindelijk deze efficiëntiebarrière zouden kunnen verleggen.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , werd uitgevoerd door academici in Italië en het VK. Het Britse team betrok onderzoekers van de onderzoeksgroep Optoelectronics van het Cavendish Laboratory van professor Sir Richard Friend, een Fellow van St John's College, Cambridge. Het Italiaanse team is gevestigd in de Politecnico di Milano in de groep van professor Guilio Cerullo.

Johannes Richter, een promovendus in de Optoelectronics-groep en de hoofdauteur van het artikel, zei:"De tijdschaal die we hebben berekend, is nu de tijdslimiet waarbinnen we moeten werken als we superefficiënte, hot carrier zonne-apparaten. We zouden elektronen eruit moeten halen voordat deze kleine hoeveelheid tijd verstrijkt."

"We hebben het erover om dit extreem snel te doen, maar het is niet onmogelijk dat het kan gebeuren. Perovskietcellen zijn erg dun en dit geeft ons hoop, want de afstand die de elektronen moeten afleggen is dus erg kort."

Perovskieten zijn een materiaalklasse die binnenkort silicium zou kunnen vervangen als materiaal bij uitstek voor veel fotovoltaïsche apparaten. Hoewel perovskiet-zonnecellen pas de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, ze zijn al bijna net zo energiezuinig als silicium.

Mede doordat ze aanzienlijk dunner zijn, ze zijn veel goedkoper om te maken. Terwijl siliciumcellen ongeveer een millimeter dik zijn, perovskiet-equivalenten hebben een dikte van ongeveer een micrometer, ongeveer 100 keer dunner dan een mensenhaar. Ze zijn ook erg flexibel, wat betekent dat ze niet alleen worden gebruikt voor het aandrijven van gebouwen en machines, perovskietcellen zouden uiteindelijk kunnen worden opgenomen in dingen als tenten, of zelfs kleding.

In de nieuwe studie de onderzoekers wilden weten hoe lang de elektronen die door deze cellen worden geproduceerd hun hoogst mogelijke energieniveau behouden. Als zonlicht de cel raakt, lichtdeeltjes (of fotonen), worden omgezet in elektronen. Deze kunnen via een elektrode worden uitgetrokken om elektrische lading te oogsten.

Voor een kort moment nadat ze zijn gemaakt, de elektronen bewegen zeer snel. Echter, dan beginnen ze te botsen, en energie verliezen. Elektronen die hun snelheid behouden, voor de aanrijding, staan ​​bekend als "heet" en hun toegevoegde kinetische energie betekent dat ze het potentieel hebben om meer lading te produceren.

"Stel je voor dat je een pooltafel had en elke bal bewoog met dezelfde snelheid, " legde Richter uit. "Na een bepaalde tijd, ze gaan elkaar raken, waardoor ze vertragen en van richting veranderen. We wilden weten hoe lang we de elektronen moeten extraheren voordat dit gebeurt."

Het Cambridge-team maakte gebruik van een methode die is ontwikkeld door hun collega's in Milaan, tweedimensionale spectroscopie genaamd. Dit omvat het pompen van licht van twee lasers op monsters van loodjodide-perovskietcellen om zonlicht te simuleren, en vervolgens met behulp van een derde "sonde" laser om te meten hoeveel licht wordt geabsorbeerd.

Zodra de elektronen zijn gebotst en vertraagd, en beginnen zo ruimte in te nemen in de cel, de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd verandert. De tijd die nodig was om dit in het onderzoek te laten gebeuren, stelde de onderzoekers in staat om vast te stellen hoeveel tijd er beschikbaar is om elektronen te extraheren terwijl ze nog "heet" zijn.

Uit de studie bleek dat elektronenbotsingsgebeurtenissen begonnen te gebeuren tussen 10 en 100 femtoseconden nadat het licht aanvankelijk door de cel was geabsorbeerd. Om de energie-efficiëntie te maximaliseren, de elektronen zouden dus de elektrode in slechts 10 quadriljoensten van een seconde moeten bereiken.

De onderzoekers zijn niettemin optimistisch dat dit mogelijk is. Naast het profiteren van de intrinsieke dunheid van perovskiet, ze geloven dat nanostructuren in de cellen kunnen worden gecreëerd om de afstand die de elektronen moeten afleggen verder te verkleinen.

"Die aanpak is voorlopig nog maar een idee, maar het is het soort ding dat we nodig hebben om de zeer kleine tijdschalen die we hebben gemeten te overwinnen, ’ voegde Richter eraan toe.

De krant, "Ultrasnelle dragerthermisatie in loodjodideperovskiet onderzocht met tweedimensionale elektronische spectroscopie, " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .