02.02.2017
Экспериментальная поляронная солнечная батарей в лабораторных условиях. Изображение предоставлено Дирк Райзер, MPIbC / DESY.
Междисциплинарная команда исследователей из Геттингена, Германия, в процессе своей совместной работы заложили основы для совершенно нового типа фотоэлемента.
В новом методе инфракрасное излучение будет преобразовываться в электроэнергию с использованием принципиально иного механизма. Механизм, созданный из минеральных перовскитов, работает на основе поляронных возбуждений, которые сочетают в себе возбуждение электронов и колебаний кристаллической решетки.
Ученые из исследовательских групп профессора Кристиана Джосса в университете Геттингена, профессора Симона Течерта, ведущего научного сотрудника в DESY, профессора Геттингенского университета и руководителя исследовательской группы по биофизической химии в Институте Макса Планка в Геттингене, и профессора Питера Блоча из технического университета Клаусталь-Целлерфельд уже представили результаты своей работы в журнале Advanced Energy Materials.
Главный автор работы, ученый Дирк Райзер, из Института Макса Планка по биофизической химии в Геттингене и DESY сказал: «Обычные солнечные батареи устроены таким образом, что взаимодействие между электронами и колебаниями решетки могут привести к нежелательным потерям, и к проблемам. Поляронные возбуждения в перовскитах могут быть созданы с фрактальной структурой. При определенных рабочих температурах, в течение длительного времени в них будет происходить выраженный фотогальванический эффект. Это приведет к кристаллизации зарядов, которые допускают даже сильные взаимодействия между поляронами».
Его соавтор Течерт объясняет: «Чтобы описанный выше эффект имел место, солнечные элементы на перовскитах необходимо охлаждать в лаборатории до - 35 градусов по Цельсию. Для применения данного эффекта на практике, нужно будет производить упорядоченные состояния полярона при более высоких температурах. Все нынешние измерения и показатели превращены в четко структурированный справочный материал, чтобы продемонстрировать принцип эффекта».
Ученые-физики в Геттингене в данный момент пытаются изменить и оптимизировать материал, с целью достижения более высокой рабочей температуры. "Кроме того, мы могли бы достигнуть временного кооперативного состояния, за счет использования дополнительного света, для создания вышеописанного возбуждения", говорит Течерт.
Если одна из этих стратегий окажется успешной, то в будущем солнечные батареи и фотоэлементы можно будет производить с использованием оксидных соединений перовскита, получая максимальную производительность.
«Разработка высокоэффективных и простых по своему устройству твердотельных солнечных элементов по-прежнему является задачей, над которой работает сразу несколько команд ученых, по всему миру. Это необходимо для будущего развития нашего энергоснабжения» - подчеркивает директор исследовательской группы Кристиан Джосс. «В дополнение к оптимизации материала и конструкции существующих солнечных батарей, это также подразумевает необходимость в изучении новых, фундаментальных механизмов свето индуцированного переноса заряда и преобразования его в электрическую энергию. Это позволит нам разработать солнечные элементы с совершенно иными принципами работы».
Это именно то, к чему стремится междисциплинарная группа физиков, в рамках совместного научно-исследовательского центра SFB 1073 для " "Atomic-Scale Control of Energy Conversion" " в Геттингене. Ключевым фактором при изучении нового принципа работы солнечных батарей был сверхскоростные методы оптического и структурного анализа, которые были использованы в данном исследовании, так и в более ранних работах по этой теме.
Течерт добавил: "Измерение динамических процессов в молекулярных единицах требует использования блестящих и сверхбыстрых рентгеновских источников, таких, как PETRA III, лазеа на свободных электронах, либо лазера European XFEL, который будет запущен в работу в этом году. Подобные источники уже были использованы в настоящем исследовании, и это помогает нам прийти к новому уровню понимания процессов переноса заряда. Это, в свою очередь, делает возможными новые функции солнечных батарей».