荷兰研究人员发现：锡基钙钛矿太阳能电池可将热能保存时间延长千倍，效率上限有望突破33%

来自荷兰格罗宁根大学的研究人员发现，基于锡的钙钛矿太阳能电池能够减缓高能“热电子”的热量损失，这可能使太阳能电池的效率突破理论上33%的效率上限。当阳光照射到电池板上时，光子会激发电子活动。能量最高的光子会产生超充电的热电子。理论上，这些高电压的能量来源应能产生更多的电力。然而在实际中，这些高能粒子仅存在于极短的时间内，因为它们在一万亿分之一秒内迅速冷却，将多余能量以废热的形式排出，未能离开太阳能电池材料。

格罗宁根大学新型半导体与器件物理学教授Jan Anton Koster表示：“这意味着能量在热电子离开太阳能电池材料之前就已经损失了。”

热电子能量延长的突破

研究团队与光物理及光电子学教授Maria Antonietta Loi合作，建立了一套实验装置。使用一种名为基于锡的钙钛矿的专用太阳能电池材料，Loi的实验室完成了一项许多人认为不可能的任务：将热量损失减缓了1,000倍。原本瞬间消失的多余能量，在纳秒级的时间内得以持续存在。质疑者立刻表达了怀疑，甚至研究人员自己也对数据产生了疑虑。

Koster承认：“我们甚至开始怀疑自己的测量结果。”为了攻克这一难题，Koster和博士生Tim Faber建立了数字模拟，深入探究量子层面的机理，发现了一种出人意料的双重作用机制在起作用。

首先，“热声子瓶颈”制造了一个热量陷阱。随着电子释放热量，周围环境迅速升温，以至于电子最终重新吸收了自己刚刚失去的热能。其次，“Burstein-Moss效应”造成了原子级的交通堵塞。由于低能量态已被激发的电子挤满，向下跃迁的通道被阻塞。这两种机制共同延缓了冷却过程，模拟结果与实验室观察到的纳秒级延迟完全吻合。

基于锡的钙钛矿特性

这项研究结合了蒙特卡洛模拟和时间分辨光致发光技术，结果表明带填充效应结合热声子瓶颈效应，解释了基于锡的金属卤化物钙钛矿中超长热载流子冷却时间的原因。通过先进的计算机模拟和基于光的测量，研究人员发现基于锡的太阳能材料能够比通常情况更长时间地保持多余能量。这些专用材料可用于构建新一代超高效率的太阳能电池。基于锡的金属卤化物钙钛矿是无毒、环保的晶体材料，适用于高效太阳能转换。

这些先进的半导体具有专门设计的三维晶格结构，其中锡离子与卤素及有机或无机成分配对。该材料拥有异常低的电子有效质量，因此电荷能够快速移动，并在长时间内保持多余的热能。这种广泛的光吸收、高效的电荷运动和延长的能量保持能力使这些材料成为下一代太阳能电池的最佳候选者。要将这些持续的热量收集起来用于商用太阳能电池，仍需时日。“还有许多其他问题需要解决，但理论上，这一发现有望使制造超过33%理论效率上限的更高效率太阳能电池成为可能。”

研究团队表示。此次研究成果已发表在《ACS Energy Letters》期刊上。

这项研究对太阳能技术的潜在影响

这项研究的突破性发现对太阳能技术的未来具有重要意义。通过延长热电子的能量存在时间，研究人员有望推动太阳能电池的效率突破现有理论上限，这将对可再生能源的发展带来积极影响。基于锡的钙钛矿材料不仅具备环保特性，还有望在商业化过程中提供更高的能量转换效率，这将促进更广泛的应用和技术创新。