Зниження вібрацій в сонячних елементах з «гарячими носіями»

Наукове

Зниження вібрацій в сонячних елементах з «гарячими носіями»

Дослідники показали спосіб уповільнити фонони – хвилі, які перенесуть тепло, перш ніж воно буде втрачено. Відкриття може поліпшити конструкцію сонячних елементів з «гарячими носіями», які перетворюють світло в електрику більш ефективним способом, у порівнянні з звичайними елементами.«Було показано, що тепловим перенесенням і часом охолодження носіїв заряду можна керувати, змінюючи масу атомів водню в фотоелектричних матеріалах».

«Продовження часу збереження носіями заряду своїх характеристик відкриває нові можливості, щоб досягти рекордної ефективності перетворення сонячної енергії в електричну».«Налаштування динамічних параметрів органічних молекул дозволить контролювати поведінку фононів – важливих складових процесу теплопровідності в металоорганічних перовскитах».Експерти в області синтезу матеріалів, розсіяння нейтронів, лазерної спектроскопії і теорії конденсованого стану речовини виявили спосіб знизити швидкість охолодження заряду, замінивши в металлоорганическом перовските легкий ізотоп на порівняно важкий.

Коли світло потрапляє на фотоелемент, фотони створюють носії заряду – електрони і дірки – в поглинаючому матеріалі. Сонячні елементи з гарячими носіями мають досить швидко перетворити енергію носіїв заряду в електрику, перш ніж вона буде втрачена у вигляді відпрацьованого тепла. Запобігання втрати тепла – важливе завдання в розробці конструкції сонячних елементів такого типу, які вдвічі ефективніше звичайних.

Ефективність перетворення сонячної енергії в електричну у звичайних перовскитных сонячних елементів збільшилася з 3% у 2009 році до більш ніж 25% в 2020 році. Вдало спроектований пристрій з гарячими носіями може досягти теоретичної ефективності перетворення, що наближається до 66%.Дослідники використовували светопоглощающего перовскит – метиламмоний йодид свинцю.

У його гратці колективні збудження атомів створюють хвильові коливання. Коливання, що рухаються синхронно один з одним, є акустичними фононами, а коливання, рухомі не синхронно, – оптичними.«Зазвичай носії заряду спочатку віддають тепло оптичним фононам, які поширюються повільніше, ніж акустичні».

«Пізніше оптичні взаємодіють з акустичними фононами, уносящими цю енергію».Проте в тій області, званої «вузьким місцем гарячих фононів», електрони через колективних коливань, що переносять тепло, не можуть втрачати свою енергію. Щоб у фотоелектричному перовските підсилити цей ефект, дослідники використовували інерцію – здатність об’єкта зберігати рух при відсутності зовнішніх впливів.

«Була сповільнена швидкість коливання молекул, подібно до того, як можна уповільнити обертову фігуристку, давши їй в руки гирю».Дослідники замінили в центральній органічній молекулі перовскіту більш легкий ізотоп водню, зазвичай протій, який не має нейтронів, на порівняно важкий – дейтерій, який має один нейтрон. Ізотопи – це хімічно ідентичні атоми, які відрізняються тільки масою з-за різниці в кількості нейтронів.

Потім вона провели експерименти з трехосному розсіяння нейтронів в изотопном реакторі, щоб скласти карту дисперсії фононів у протонированных і дейтерированных кристалах. Об’єднані результати вимірювань показали, що поздовжні акустичні коливання з короткими довжинами хвиль поширюються в дейтерированном зразку повільніше, що передбачає зниження теплопровідності.Було виміряно розподіл температури всередині кристалів, щоб вивчити, як у них переміщається тепло.

«Ці вимірювання показали, що дейтерірованіе знижує і без того низьку теплопровідність на 50%». «Тоді стало зрозуміло, що, можливо, це відкриття впливає на процеси, які хвилюють виробників сонячних енергетичних пристроїв, зокрема, на підтримку енергетичного рівня гарячих носіїв заряду».Дослідження надало безпрецедентне розуміння впливу збільшеної атомної маси на теплопередачу.

При зміні маси водню був досягнутий ефект, набагато перевершив очікування: дейтерірованіе настільки уповільнило перенесення тепла, що час охолодження носіїв заряду подвоїлася.Частота коливань органічної молекули метиламмония (MA) трохи вище частоти загальних колективних коливань. Однак, коли атом дейтерію замінює легкий ізотоп водню, його велика маса уповільнює коливання МА.

Він коливається з частотою, близькою до частоти колективних вібрацій. Синхронізовані фонони сповільнюються, стаючи менш ефективними, коли тепло відводиться.Інформаційний портал про енергетику, природних ресурсах та інженерних системах TEPLOKARTA.
RU

Related posts

Leave a Comment