Посмотреть описание и сделать заказ Вы можете в разделе "Всеволновые радиоприемники и антенны" нашего сайта.
Блокирование вибраций, отводящих тепло, может повысить эффективность солнечных элементов следующего поколения
Под руководством Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики и Университета Теннесси в Ноксвилле исследование солнечного энергетического материала с светлым будущим показало способ замедления фононов - волн, переносящих тепло. Открытие может улучшить новые солнечные элементы с горячими носителями, которые преобразуют солнечный свет в электричество более эффективно, чем обычные солнечные элементы, за счет использования фотогенерируемых носителей заряда до того, как они потеряют энергию на тепло, сообщает портал mzhost.ru.
«Мы показали, что тепловым переносом и временем охлаждения носителей заряда можно управлять, изменяя массу атомов водорода в фотоэлектрических материалах», - сказал Майкл Мэнли из ORNL. «Этот путь увеличения срока службы носителей заряда открывает новые стратегии для достижения рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую в новых солнечных элементах с горячими носителями».
Махшид Ахмади из UT отметил: «Настройка динамики органических молекул может позволить контролировать фононы, важные для теплопроводности в металлоорганических перовскитах». Эти полупроводниковые материалы перспективны для фотоэлектрических приложений.
Мэнли и Ахмади разработали и провели исследование, опубликованное в Science Advances . Эксперты в области синтеза материалов, рассеяния нейтронов, лазерной спектроскопии и теории конденсированного состояния обнаружили способ подавить расточительное охлаждение заряда, заменив более легкий изотоп на более тяжелый в металлоорганическом перовските.
Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, фотоны создают носители заряда - электроны и дырки - в материале поглотителя. Солнечные элементы с горячими носителями быстро преобразуют энергию носителей заряда в электричество, прежде чем она будет потеряна в виде отработанного тепла. Предотвращение потерь тепла - серьезная задача для этих солнечных элементов, которые могут быть вдвое эффективнее обычных солнечных элементов.
Эффективность преобразования обычных перовскитных солнечных элементов повысилась с 3% в 2009 году до более чем 25% в 2020 году. Хорошо спроектированное устройство с горячим носителем может достичь теоретической эффективности преобразования, приближающейся к 66%.
Исследователи изучали метиламмоний иодид свинца, материал, поглощающий перовскит. В его решетке коллективные возбуждения атомов создают колебания. Колебания, движущиеся синхронно друг с другом, являются акустическими фононами, тогда как колебания, движущиеся не синхронно, - оптическими фононами.
«Обычно носители заряда сначала отдают тепло оптическим фононам, которые распространяются медленнее, чем акустические фононы», - пояснил соавтор ORNL Рафаэль Герман. «Позже оптические фононы взаимодействуют с акустическими фононами, которые уносят эту энергию».
Однако в области, называемой «узким местом горячих фононов», экзотическая физика не позволяет электронам терять свою энергию из-за коллективных колебаний, переносящих тепло. Чтобы усилить этот эффект в фотоэлектрическом перовските, исследователи использовали инерцию, способность объекта продолжать делать то, что он делает, будь то отдых или движение.
«По сути, мы замедлили скорость колебания молекул, подобно тому, как замедлили вращающуюся фигуристку, вложив в ее руки гирю», - сказал Германн.
Чтобы сделать это в упорядоченной атомной решетке, Ахмади и Куньлун Хонг из ORNL руководили синтезом кристаллов метиламмоний-иодида свинца в Центре нанофазных материаловедения, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Они заменили более легкий изотоп водорода, обычно протий, который не имеет нейтронов, на более тяжелый, дейтерий, который имеет один нейтрон, в центральной органической молекуле перовскита, метиламмонии или МА. Изотопы - это химически идентичные атомы, которые различаются только массой из-за разницы в количестве нейтронов.
Затем Мэнли и Херманн вместе с Сонгсю Чи из ORNL провели эксперименты по трехосному рассеянию нейтронов на изотопном реакторе с высоким потоком (High Flux Isotope Reactor), исследовательском центре Министерства энергетики США в ORNL, чтобы составить карту дисперсии фононов в протонированных и дейтерированных кристаллах. Поскольку они увидели несоответствие между своими измерениями и опубликованными данными по неупругим рентгеновским измерениям, они провели дополнительные измерения в источнике нейтронов расщепления, еще одном пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в ORNL. Там Люк Дэмен из ORNL использовал вибрационный спектрометр VISION, чтобы выявить все возможные колебательные энергии. Объединенные результаты показали, что продольные акустические моды с короткими длинами волн распространяются в дейтерированном образце медленнее, что предполагает снижение теплопроводности.
Синь Ван из ORNL провел измерения температуропроводности, чтобы изучить, как тепло перемещается в кристаллах. «Эти измерения показали, что дейтерирование снижает и без того низкую теплопроводность на 50%», - сказал Мэнли. «Тогда мы поняли, что, возможно, это открытие влияет на то, что волнует производителей солнечных устройств, в частности, на поддержание горячих носителей заряда».
Исследование предоставило беспрецедентное понимание влияния увеличения атомной массы на теплопередачу.
«Многие колебания, такие как режимы растяжения атомов водорода, имеют такие высокие частоты, что обычно не взаимодействуют с низкоэнергетическими колебаниями кристалла», - сказал Дэмен. К низкоэнергетическим модам относятся колебания молекул.
Частота колебаний органической молекулы MA немного выше частоты коллективных колебаний. Однако, когда атом дейтерия заменяет более легкий изотоп водорода, его большая масса замедляет колебание МА. Он колеблется с частотой, близкой к частоте коллективных вибраций, и оба начинают взаимодействовать, а затем прочно соединяются. Синхронизированные фононы замедляются, становясь менее эффективными при отводе тепла.
Германн сравнил влияние частоты с различными действиями мальчика, когда отец толкает его на качелях. «Протонированный случай подобен мальчику, который слишком быстро двигает ногами, чтобы быть синхронным с толчком отца. Он не собирается подниматься выше. Но если он начнет двигать ногами примерно с той же частотой, что и раскачивание, это похоже на дейтерированный случай. . Ребенок замедлил свои ноги ровно настолько, чтобы он начал синхронизироваться с толкаемым замахом, добавляя импульс. Он может качаться выше, потому что эти два движения связаны ».
Измерения ORNL показали эффект, который намного превзошел ожидаемый от изменения массы водорода: дейтерирование замедлило перенос тепла настолько, что время охлаждения носителей заряда удвоилось.
Чтобы подтвердить это открытие, соавтор ORNL Чэньюнь Хуа использовал эксперименты с лазером с накачкой и зондом, чтобы измерить диссипацию энергии электронов в дейтерированных и протонированных перовскитах в крошечных временных масштабах, квадриллионных долях секунды.
«Эти измерения подтвердили, что гигантские изменения фононов и теплопроводности, вызванные тяжелым изотопом, приводят к более медленному времени релаксации фотовозбужденных электронов», - сказал Хуа. «Это важный фактор в улучшении фотоэлектрических свойств».
Калифорнийский университет в Беркли, соавторы Яо Кай и Марк Аста, который также работает в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики, провели теоретические расчеты, чтобы лучше понять сложность поведения фононов.
Открытие, сделанное в ходе исследования под руководством ORNL-UT, может стать светлым пятном для будущих производителей солнечных элементов с горячими носителями.
«Фононы выглядят как довольно эффективная ручка для поворота, и мы знаем, как ее повернуть», - сказал Мэнли. «Если вы хотите улучшить материалы, вы можете добавить молекулу, метиламмоний или что-то еще. Находка может помочь разработчикам принять решение о том, как они выращивают свои кристаллы».
Ахмади добавил: «Эти знания можно использовать для разработки материалов для приложений, выходящих за рамки фотоэлектрических систем, таких как оптические датчики и устройства связи».
Предыдущая статья
Следущая статья
Вернуться
* * * * *
Рекламная и сервисная информация
* * * * *
