«В обычных солнечных элементах взаимодействие между электронами и колебаниями решетки может приводить к нежелательным потерям, вызывая серьезные проблемы, тогда как возбуждения поляронов в перовскитном солнечном элементе могут создаваться с фрактальной структурой при определенных рабочих температурах и продолжаться достаточно долго для — явный фотоэлектрический эффект », — объясняет главный автор статьи Дирк Райзер из Института биофизической химии Макса Планка в Геттингене и DESY. «Однако для этого требуется, чтобы заряды находились в упорядоченном основном состоянии, соответствующем своего рода кристаллизации зарядов, что, таким образом, позволяет иметь сильные кооперативные взаимодействия между поляронами».Перовскитные солнечные элементы, исследованные командой, должны были быть охлаждены в лаборатории примерно до минус 35 градусов по Цельсию, чтобы эффект имел место.
Если этот эффект будет использоваться в практических приложениях, необходимо будет создавать упорядоченные поляронные состояния при более высоких температурах. «До сих пор измерения проводились на тщательно изученном эталонном материале, чтобы продемонстрировать принцип эффекта. Для этой цели была принята низкая температура перехода», — объясняет соавтор Течерт.Физики материалов из Геттингена пытаются модифицировать и оптимизировать материал, чтобы достичь более высокой рабочей температуры. «Кроме того, мы могли бы временно достичь кооперативного состояния за счет хитрого использования дополнительного света для создания возбуждения», — говорит Течерт.
Если одна из этих стратегий окажется успешной, будущие солнечные элементы или фотохимические источники энергии могут быть созданы с использованием соединений оксида перовскита, которых существует множество.«Разработка высокоэффективных и просто сконструированных твердотельных солнечных элементов по-прежнему является научной задачей, над которой работают многие команды по всему миру, чтобы обеспечить будущее нашего энергоснабжения», — подчеркивает директор по исследованиям Кристиан Йосс. «Помимо оптимизации материала и конструкции существующих солнечных элементов, это также включает изучение новых фундаментальных механизмов индуцированного светом переноса заряда и преобразования в электрическую энергию. Это должно позволить нам разрабатывать солнечные элементы, основанные на новых принципах работы».
Именно этого достигла междисциплинарная группа физиков-материаловедов, физиков-теоретиков, физиков-химиков и физиков, занимающихся рентгеновскими лучами, в рамках совместного исследовательского центра SFB 1073 «Управление преобразованием энергии в атомном масштабе» в Геттингене. Ключевым фактором в изучении нового принципа работы солнечных элементов были сверхбыстрые методы оптического и структурного анализа, которые использовались как в текущих, так и в более ранних работах по этой теме.
«Измерение динамических процессов в молекулярных единицах, как и в подходе молекулярного кино, требует использования ярких и сверхбыстрых источников рентгеновского излучения, таких как PETRA III в DESY или европейский лазер на свободных электронах, European XFEL, который входит в операции в этом году », — подчеркивает Техерт. «Подобные исследования, некоторые из которых уже использовались в текущем исследовании, приводят к новому уровню понимания процессов переноса заряда, что, в свою очередь, делает возможными новые функции солнечных элементов».Работа была выполнена учеными из Геттингенского университета, Института биофизической химии Макса Планка, Технического университета Клаусталь-Целлерфельда и DESY.Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY — ведущий ускорительный центр Германии и один из ведущих в мире. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (90 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).
В своих офисах в Гамбурге и Цойтене недалеко от Берлина DESY разрабатывает, строит и эксплуатирует большие ускорители элементарных частиц и использует их для исследования структуры материи. DESY предлагает уникальное сочетание науки о фотонах и физики элементарных частиц для Европы.