钙钛矿在压力下热电子冷却得更快

在太阳能电池中，约有三分之二的阳光能量损失了。这种损耗的一半归因于称为“热载流子冷却”的过程，在此过程中，高能光子在转化为电能之前会以热的形式失去其多余的能量。AMOLF的科学家们发现了一种通过向材料施加压力来控制钙钛矿中该过程速度的方法。这为使钙钛矿变得更加通用化铺平了道路，不仅可以用于太阳能电池，而且还可以用于从激光器到热电设备的各种其他应用。研究人员将于4月23日在《物理化学快报》上发表他们的研究。

钙钛矿是下一代太阳能电池的一种有前途的材料，因为它们由廉价的成分制成，并且很容易改变其组成以适应特定的需求，例如任何所需颜色的太阳能电池。AMOLF的混合太阳能电池小组的研究人员试图通过揭示钙钛矿的基本特性来提高混合钙钛矿半导体的效率和寿命。这些特性之一是发生所谓的热载体冷却的速度，如果在其他应用中使用钙钛矿，这也很重要。

热载体冷却

在太阳能电池中，能量与半导体的带隙匹配的光直接转换为电。此直接路径不适用于能量较高的光子。这些光子产生所谓的热载流子：高能电子(和空穴)，必须先冷却下来才能以电能的形式被收集。热载流子自然发生冷却：热载流子通过散射以热的形式损失其多余的能量，直到它们与半导体的传导能级匹配为止。试图了解钙钛矿中的这一过程，博士学位。学生洛雷塔·穆斯卡雷拉(Loreta Muscarella)遇到各种困难，其中之一就是时间表。她说：“热载流子冷却发生得非常快，通常在飞秒到皮秒的时间范围内，这使得很难操纵甚至研究该过程。我们很幸运，拥有瞬态吸收光谱仪(TAS)和压力设备相结合的独特设置。这使我们能够在将光照射到材料上几飞秒后，在外部应力下测量钙钛矿的电子性能。”

压力操纵

已经知道，在充足的照明下，钙钛矿半导体中的热载流子冷却比硅半导体中的慢得多。这使得在钙钛矿而不是硅中对该工艺的研究更加可行。Muscarella和她的同事认为，冷却过程的速度可能与压力有关。她说：“热载体会通过振动和散射而失去多余的能量。施加压力会增加材料内部的振动，因此应提高热载体冷却的速度，”她说。“我们决定测试这个假设，发现我们确实可以在压力下控制冷却时间。在3000倍环境压力下，该过程快了两到三倍。”

太阳能电池将不能在如此高的压力下工作，但是利用内部应变可以获得类似的效果。Muscarella：“我们在外部压力下进行了实验，但是在钙钛矿中，可以通过化学改变材料或材料的生长来诱发内部应变，正如我们先前在小组中所表明的那样。”

不同应用的冷却速度

能够控制热载流子的冷却速度，除了太阳能电池外，还可以用于钙钛矿的其他各种应用。“针对特定颜色设计钙钛矿的可能性，不仅使它们对于彩色太阳能电池非常有趣，而且对于激光或LED技术也是如此。在此类应用中，热载流子的快速冷却至关重要，就像传统太阳能电池中一样。另一方面，冷却将使钙钛矿适合于将温差转换为电能的热电设备。因此，调节热载流子的冷却速度可以使用钙钛矿制造整个设备。” 她甚至设想施加负面压力 对于特定类型的太阳能电池，热载体冷却过程的速度甚至会变慢。

“由于散热几乎占太阳能电池效率损失的30%，因此科学家们正在寻找在冷却之前将热载流子收集的方法。目前，即使在环境压力下钙钛矿中的'缓慢'冷却对于这种载热体来说仍然太快了。所谓的热载流子太阳能电池。现在，这些热载流子失去了多余的能量为皮秒内的热量。但是，如果我们能诱导有可能负应变，使在工作装置所应用的过程足够慢。 ”

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