荷蘭研究人員發現：錫基鈣鈦礦太陽能電池可延長熱能保存時間千倍，提升效率上限至 33%以上

來自荷蘭格羅寧根大學的研究人員發現，基於錫的鈣鈦礦太陽能電池能夠減緩高能「熱電子」的熱量損失，這可能使太陽能電池的效率超越理論上的 33% 限制。當陽光照射到電池板上時，光子會啟動電子的活動。最具能量的光子會產生超充電的熱電子。理論上，這些高電壓的能量來源應能生成更多的電力。然而，實際上，這些高能粒子僅僅存在於極短的時間內，因為它們在一兆分之一秒內迅速冷卻，將額外的能量以廢熱的形式排出，未能離開太陽能電池材料。

格羅寧根大學新型半導體與裝置物理學教授 Jan Anton Koster 表示：「這意味著能量在熱電子離開太陽能電池材料之前就已經損失。」

熱電子能量延長的突破

研究團隊與光物理及光電子學教授 Maria Antonietta Loi 合作，創建了一個實驗設置。使用一種名為基於錫的鈣鈦礦的專用太陽能電池材料，Loi 的實驗室完成了一項許多人認為不可能的壯舉：將熱量損失減慢了 1,000 倍。突然間，額外的能量在納秒級別的時間內持續存在，而不是在皮秒級別內消失。懷疑者立即表示懷疑，甚至研究人員也對自己的數據產生了懷疑。

Koster 承認：「我們甚至開始懷疑我們自己的測量結果。」為瞭解決這一難題，Koster 和博士生 Tim Faber 建立了數字模擬，深入探究量子層面，發現了一種令人驚訝的雙重作用機制在運作。

首先，「熱音子瓶頸」創造了一個熱量陷阱。隨著電子釋放熱量，周圍環境迅速升溫，以至於電子最終重新吸收了自己失去的熱能。其次，「Burstein-Moss 效應」形成了一個原子交通堵塞。由於低能量狀態已經被激發的電子擠滿，向下的通道被阻塞。這兩種機制共同延緩了冷卻過程，模擬結果與實驗室觀察到的納秒延遲完全吻合。

基於錫的鈣鈦礦特性

這項研究使用了集合蒙特卡羅模擬和時間解析光致發光技術，顯示帶填充結合熱音子瓶頸效應解釋了基於錫的金屬鹵化物鈣鈦礦中超長熱載流子冷卻時間的原因。通過先進的計算機模擬和基於光的測量，研究人員發現基於錫的太陽材料能夠比通常情況下更長時間地保持額外能量。這些專用材料可用於建造新一代超高效的太陽能電池。基於錫的金屬鹵化物鈣鈦礦是無毒、環保的結晶材料，適用於高效的太陽能轉換。

這些先進的半導體具有專門的三維晶格結構，其中錫離子與鹵素及有機或無機成分配對。該材料擁有異常低的電子質量，因此電荷能夠迅速移動，並在長時間內保持額外的熱能。這種廣泛的光吸收、高效的電荷運動和延長的能量保持能力使得這些材料成為下一代太陽能電池的最佳候選者。商業化的太陽能電池要收集這些持續的熱量仍需一段時間。「還有許多其他問題需要解答，但理論上，這一發現可能使創建超過理論限制 33% 的更高效太陽能電池成為可能。」

研究團隊表示。此次研究結果已發表在《ACS Energy Letters》期刊上。

這項研究對太陽能技術的潛在影響

這項研究的突破性發現對太陽能技術的未來具有重要意義。透過延長熱電子的能量存在時間，研究人員可能推動太陽能電池的效率超越現有理論限制，這將對可再生能源的發展帶來積極影響。基於錫的鈣鈦礦材料不僅具備環保特性，還能在商業化過程中提供更高的能量轉換效率，這將促進更廣泛的應用和技術創新。