阻止热量散发的振动可以提高下一代太阳能电池的效率

在能源部的橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的带领下，一项对光明的太阳能材料的研究揭示了一种减慢声子的方法，声子是一种传导热量的波。这一发现可以改善新型的热载流子太阳能电池，通过在光生电荷载流子失去能量来加热之前利用光生电荷载流子，可以比传统太阳能电池更有效地将阳光转化为电能。

ORNL的迈克尔·曼利说：“我们证明，可以通过改变光伏材料中氢原子的质量来控制热传输和载流子冷却时间。” “这种延长​​电荷载流子寿命的途径为在新型热载流子太阳能电池中实现创纪录的太阳能转换效率提供了新的策略。”

UT的Mahshid Ahmadi指出：“调整有机分子的动力学特性可以控制对有机金属钙钛矿中导热性很重要的声子。” 这些半导体材料有望用于光伏应用。

Manley和Ahmadi设计并管理了这项研究，并发表在《科学进展》上。材料合成，中子散射，激光光谱学和凝聚态理论的专家们发现了一种通过将较轻的同位素替换为有机金属钙钛矿中的较重同位素来抑制无用电荷冷却的方法。

当阳光照射到太阳能电池上时，光子会在吸收材料中产生电荷载流子(电子和空穴)。热载太阳能电池将电荷载流子的能量迅速转换为电能，然后再浪费为废热。对于这些太阳能电池而言，防止热量损失是一个巨大的挑战，这些太阳能电池的效率是传统太阳能电池的两倍。

常规钙钛矿太阳能电池的转换效率已从2009年的3%提高到2020年的25%以上。设计良好的热载流子器件理论上的转换效率可达到66%。

研究人员研究了钙钛矿吸收剂材料甲基铵碘化铅。在其晶格中，原子的集体激发会产生振动。彼此同步运动的振动是声子，而不同步运动的是光学声子。

ORNL的合著者拉斐尔·赫尔曼(Raphael Hermann)解释说：“通常，载流子首先将热量转移给光子，而声子的传播要比声子慢。” “后来，光学声子与带走这种能量的声子相互作用。”

但是，在一个称为“热声子瓶颈”的区域中，外来物理阻止了电子因传递热量的集体振动而失去能量。为了增强光伏钙钛矿中的这种效果，研究人员使用了惯性，即物体保持静止状态或移动状态的趋势。