นักวิจัยชาวเนเธอร์แลนด์ค้นพบว่า เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์บนฐานดีบุกสามารถยืดเวลาการเก็บรักษาพลังงานความร้อนได้นานขึ้นเป็นพันเท่า เพิ่มขีดจำกัดประสิทธิภาพสู่ระดับ 33% ขึ้นไป

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Groningen ในเนเธอร์แลนด์ค้นพบว่า เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์บนฐานดีบุกสามารถชะลอการสูญเสียความร้อนของ "โฮตอิเล็กตรอน" พลังงานสูง ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ทะลุขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 33% เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบแผงเซลล์ โฟตอนจะกระตุ้นการทำงานของอิเล็กตรอน โฟตอนที่มีพลังงานสูงที่สุดจะสร้างโฮตอิเล็กตรอนที่มีประจุเกินพิกัด ในทางทฤษฎี แหล่งพลังงานแรงดันสูงเหล่านี้ควรผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง อนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้อยู่ได้เพียงช่วงเวลาสั้นมาก เนื่องจากพวกมันเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วภายในเวลาหนึ่งในล้านล้านวินาที ปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของความร้อนเหลือใช้ โดยไม่สามารถออกจากวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ได้

ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำและอุปกรณ์ชนิดใหม่แห่งมหาวิทยาลัย Groningen Jan Anton Koster กล่าวว่า "นั่นหมายความว่า พลังงานสูญเสียไปก่อนที่โฮตอิเล็กตรอนจะออกจากวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์"

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการยืดเวลาพลังงานของโฮตอิเล็กตรอน

ทีมวิจัยร่วมมือกับศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แสงและโฟโตอิเล็กทรอนิกส์ Maria Antonietta Loi จัดตั้งชุดการทดลองขึ้น โดยใช้วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์เฉพาะทางที่เรียกว่าเพอรอฟสไกต์บนฐานดีบุก ห้องปฏิบัติการของ Loi ประสบความสำเร็จในการทำสิ่งที่หลายคนเชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ คือชะลอการสูญเสียความร้อนลง 1,000 เท่า ทันใดนั้น พลังงานส่วนเกินสามารถคงอยู่ได้นานในระดับนาโนวินาที แทนที่จะหายไปภายในระดับพิโควินาที ผู้คลางแคลงใจต่างแสดงความสงสัยทันที แม้แต่ตัวนักวิจัยเองยังตั้งคำถามกับข้อมูลของตนเอง

Koster ยอมรับว่า "เราแม้แต่เริ่มสงสัยผลการวัดของเราเอง" เพื่อแก้ปัญหานี้ Koster และนักศึกษาปริญญาเอก Tim Faber ได้สร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข เจาะลึกลงไปในระดับควอนตัม และค้นพบกลไกการทำงานสองชั้นที่น่าประหลาดใจกำลังดำเนินอยู่

ประการแรก "Hot Phonon Bottleneck" สร้างกับดักความร้อนขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนปลดปล่อยความร้อน สภาพแวดล้อมรอบข้างจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว จนในที่สุดอิเล็กตรอนก็ดูดซับความร้อนที่ตนเองปล่อยออกไปกลับคืนมา ประการที่สอง "Burstein-Moss Effect" ก่อให้เกิดสภาวะจราจรติดขัดในระดับอะตอม เนื่องจากสถานะพลังงานต่ำถูกอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นเติมเต็มจนแน่น ช่องทางลงจึงถูกปิดกั้น กลไกทั้งสองนี้ทำงานร่วมกันในการชะลอกระบวนการทำให้เย็นลง และผลการจำลองสอดคล้องอย่างสมบูรณ์กับความล่าช้าระดับนาโนวินาทีที่สังเกตได้ในห้องปฏิบัติการ

คุณสมบัติของเพอรอฟสไกต์บนฐานดีบุก

การศึกษาวิจัยนี้ใช้เทคนิคการจำลองมอนติคาร์โลแบบรวมศูนย์ร่วมกับเทคนิค Time-Resolved Photoluminescence แสดงให้เห็นว่า การเติมเต็มแถบพลังงาน (Band Filling) ร่วมกับปรากฏการณ์ Hot Phonon Bottleneck อธิบายสาเหตุของระยะเวลาการเย็นตัวของโฮแครีเออร์ที่ยาวนานผิดปกติในเพอรอฟสไกต์โลหะแฮไลด์บนฐานดีบุก ด้วยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ขั้นสูงและการวัดบนพื้นฐานของแสง นักวิจัยค้นพบว่าวัสดุแสงอาทิตย์บนฐานดีบุกสามารถรักษาพลังงานส่วนเกินได้นานกว่ากรณีปกติ วัสดุเฉพาะทางเหล่านี้สามารถนำไปใช้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงพิเศษ เพอรอฟสไกต์โลหะแฮไลด์บนฐานดีบุกเป็นวัสดุผลึกที่ไม่เป็นพิษและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เหมาะสำหรับการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพ

สารกึ่งตัวนำขั้นสูงเหล่านี้มีโครงสร้างผลึกสามมิติเฉพาะ โดยที่ไอออนของดีบุกจับคู่กับฮาโลเจนและส่วนประกอบอินทรีย์หรืออนินทรีย์ วัสดุนี้มีมวลอิเล็กตรอนต่ำผิดปกติ จึงทำให้ประจุเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วและรักษาพลังงานความร้อนส่วนเกินได้นาน คุณสมบัติการดูดซับแสงที่กว้าง การเคลื่อนที่ของประจุที่มีประสิทธิภาพ และความสามารถในการรักษาพลังงานที่ยาวนาน ทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ยุคถัดไป ยังคงต้องใช้เวลาอีกระยะหนึ่งก่อนที่เซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์จะสามารถเก็บเกี่ยวความร้อนที่คงอยู่นานเหล่านี้ได้ "ยังมีปัญหาอีกมากที่ต้องหาคำตอบ แต่ในทางทฤษฎี การค้นพบนี้อาจทำให้การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 33% เป็นไปได้"

ทีมวิจัยกล่าว ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Energy Letters

ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์

การค้นพบที่ก้าวล้ำนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออนาคตของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยการยืดเวลาการคงอยู่ของพลังงานของโฮตอิเล็กตรอน นักวิจัยอาจผลักดันประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ให้ทะลุขีดจำกัดทางทฤษฎีที่มีอยู่ ซึ่งจะส่งผลดีต่อการพัฒนาพลังงานหมุนเวียน วัสดุเพอรอฟสไกต์บนฐานดีบุกไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่ยังสามารถให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานที่สูงขึ้นในกระบวนการเชิงพาณิชย์ ซึ่งจะส่งเสริมการประยุกต์ใช้และนวัตกรรมทางเทคโนโลยีในวงกว้างยิ่งขึ้น