Исследователи Гронингенского университета выяснили, почему оловянные перовскиты способны необычно долго сохранять энергию, полученную электронами при возбуждении. Такой эффект может быть полезен при разработке солнечных элементов нового поколения, в которых меньше энергии теряется в виде тепла.
В обычных фотоэлектрических материалах электроны после поглощения света быстро отдают избыток энергии кристаллической решетке. Охлаждение горячих носителей заряда занимает всего несколько пикосекунд, поэтому значительная часть энергии не превращается в электричество. В оловянных перовскитах этот процесс идет заметно медленнее.
Чтобы установить причину явления, ученые сопоставили результаты временно-разрешенной фотолюминесценции с расчетами методом Монте-Карло. Моделирование показало, что длительное сохранение энергии связано сразу с двумя механизмами. Один из них исследователи назвали горячим фононным узким местом.
При передаче энергии электронами колебаниям кристаллической решетки образуются фононы. Решетка не успевает достаточно быстро рассеять их энергию, поэтому электроны вновь поглощают часть фононов и дольше остаются горячими. Второй механизм связан с заполнением энергетических уровней и эффектом Бурштейна — Мосса: занятые нижние состояния уменьшают число возможных переходов, из-за чего охлаждение замедляется.
По отдельности эти процессы не объясняли результаты эксперимента, однако их совместное включение в модель позволило воспроизвести наблюдаемую динамику. При определенной концентрации носителей расчетное время охлаждения составило около 470 пикосекунд против примерно 636 пикосекунд в эксперименте. В некоторых условиях процесс может продолжаться до наносекунд, то есть в сотни раз дольше обычного пикосекундного интервала.
Сохранение энергии горячих носителей важно для солнечных элементов, которые должны извлекать электроны до превращения их дополнительной энергии в тепло. Теоретически это может помочь превысить ограничения эффективности обычных однопереходных батарей. Однако для практического применения потребуется создать контакты для быстрого извлечения носителей, обеспечить чистоту материала и стабильную работу устройства; результаты опубликованы в журнале ACS Energy Letters.