Fotonen met een energie die hoger is dan de bandafstand van de halfgeleider die ze absorbeert, geven aanleiding tot zogenaamde hete elektronen. De extra energie ten opzichte van de band gap gaat heel snel verloren, omdat het wordt omgezet in warmte en niet bijdraagt ​​aan de spanning. RUG Fotofysica en Opto-elektronica Professor Maria Antonietta Loi heeft nu een materiaal gevonden waarin deze hete elektronen hun hoge energieniveau veel langer behouden. Dit kan het mogelijk maken om meer van hun energie te gebruiken om een ​​hogere spanning te verkrijgen. Haar resultaten werden op 16 januari gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De efficiëntie van zonnepanelen wordt belemmerd door een Goudlokje-probleem:fotonen moeten precies de juiste hoeveelheid energie hebben om omgezet te worden in vrije elektronen, die bijdragen aan de spanning. te weinig energie, en de fotonen gaan dwars door het zonnepaneel heen. Te veel, en de overtollige energie verdwijnt als warmte. Dit komt door de vorming van hete (hoge-energetische) elektronen. Voordat ze uit de zonnecellen kunnen worden gewonnen, deze hete elektronen geven eerst hun overtollige energie af door trillingen te veroorzaken in het kristallijne materiaal van het zonnepaneel. "Dit energieverlies stelt een grens aan het maximale rendement van zonnecellen, " legt Loï uit.

Ze werkt aan een speciaal type zonnecel die is gemaakt van organisch-anorganische hybride perovskieten. Perovskieten zijn vernoemd naar een mineraal met de chemische formule ABX ₃ . In de X-positie, anionen vormen een octaëder, terwijl in de A-positie, kationen vormen een kubus om hen heen, terwijl een centraal kation de B-positie inneemt. Veel materialen in de perovskietfamilie nemen deze kristalstructuur over. Hybride perovskieten bevatten organische kationen op de A-positie.

De meeste hybride-perovskiet-zonnecellen bevatten lood, wat giftig is. Loi's groep publiceerde onlangs een paper waarin een recordbrekende efficiëntie van 9 procent wordt beschreven in een hybride perovskiet-zonnecel die onschadelijk tin bevat in plaats van lood. "Toen we dit materiaal verder bestudeerden, we zagen iets vreemds, " vervolgt ze. De resultaten kunnen alleen maar betekenen dat de hete elektronen die in de op tin gebaseerde zonnecellen worden geproduceerd, er ongeveer duizend keer langer over deden dan normaal om hun overtollige energie af te voeren.

"De hete elektronen gaven hun energie af na enkele nanoseconden in plaats van enkele honderden femtoseconden. Het vinden van zulke langlevende hete elektronen is waar iedereen in dit veld op hoopt, ", zegt Loi. Hun langere levensduur maakt het mogelijk om de energie van deze elektronen te oogsten voordat deze in warmte verandert. "Dit betekent dat we elektronen met een hogere energie kunnen oogsten en zo een hogere spanning in de zonnecel kunnen creëren." Theoretische berekeningen tonen aan dat door het oogsten van de hete elektronen, het maximale rendement voor hybride perovskiet-zonnecellen zou kunnen stijgen van 33 naar 66 procent.

De volgende stap is om erachter te komen waarom de op tin gebaseerde hybride perovskiet het verval van hete elektronen vertraagt. Dan zouden nieuwe perovskietmaterialen kunnen worden ontworpen met nog langzamere hete elektronen. "Deze op tin gebaseerde perovskieten kunnen een game changer zijn, en kan uiteindelijk een grote bijdrage leveren aan het leveren van schone en duurzame energie in de toekomst."