双重作用物理机制

该团队与光物理与光电子学教授玛丽亚·安东尼埃塔·洛伊合作，搭建了一个实验装置。利用一种名为锡基钙钛矿的特殊太阳能电池材料，洛伊的实验室完成了一项许多人认为不可能的事情：她将热量散失速度减缓了1000倍。突然之间，额外能量得以停留数纳秒，而不是在数皮秒内消失。

怀疑者立刻表示怀疑。就连研究人员自己也质疑他们的数据。“我们甚至开始怀疑自己的测量结果，”科斯特承认道。

为了解决这个谜题，科斯特和博士生蒂姆·费伯构建了数字模拟，以逐层揭示量子层面的过程。他们发现了一种令人惊讶的双重作用机制。

首先，“热声子瓶颈”形成了一个热陷阱。当电子释放热量时，周围环境升温太快，以至于电子最终会重新吸收自己失去的热能。其次，“伯斯坦-莫斯效应”造成了原子层面的交通堵塞。由于低能态已经被激发电子占据，向下走的路径被阻塞了。

这两种机制共同作用，阻碍了冷却过程。它奏效了。模拟结果与实验室中观察到的精确纳秒延迟相符。

锡基电池的优势

这项研究使用系综蒙特卡洛模拟和时间分辨光致发光来表明，能带填充与热声子瓶颈效应共同作用，解释了锡基金属卤化物钙钛矿中超长热载流子冷却时间的原因。

通过先进的计算机模拟和基于光的测量，研究人员发现，为什么锡基太阳能材料能够比通常情况更长时间地保留额外能量。这些特殊材料可用于制造新一代超高效太阳能电池。

锡基金属卤化物钙钛矿是无毒、环保的晶体材料，可用于高性能太阳能转换。这些先进半导体具有特殊的三维晶格结构，其中锡离子与卤素以及有机或无机组分结合。

这种材料具有异常低的电子质量。因此，电荷移动迅速，并能在较长时间内保留额外热能。宽光谱吸收、高效电荷移动和长时间能量保持相结合，使这些材料成为下一代太阳能电池板的首选候选材料。

利用这种滞留热量的商用太阳能电池板仍尚需时日。“还有许多其他问题需要回答，但理论上，这一发现可能使人们制造出更高效的太阳能电池，突破33%的理论极限，”团队表示。

该研究结果发表在《ACS能源快报》期刊上。