Sự hấp thụ ánh sáng mặt trời trong pin mặt trời silicon dẫn đến tổn thất do nhiệt từ các điện tử kích thích quang “nóng”. Các electron trong chất rắn chiếm các mức năng lượng được gọi là dải điện tử, ví dụ, cấu trúc dải điện tử của silicon được hiển thị. Các electron kích thích quang “nóng” có năng lượng dư thừa và mất năng lượng này để đốt nóng hơn là sản xuất điện.
Cơ chế hàng đầu của sự phát nóng bất lợi này bao gồm các quá trình tán xạ electron-phonon. Các bản đồ màu về sự mở rộng các mức năng lượng do tán xạ (tính theo đơn vị meV) cũng như thời gian thư giãn của các điện tử kích thích quang được phủ lên trên cấu trúc vùng. Những hiểu biết mới như vậy về tổn thất do sưởi ấm có thể dẫn đến các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.
Khoa học
Khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ trong pin mặt trời, một phần năng lượng có thể được sử dụng sẽ bị mất đi dưới dạng nhiệt. Bởi vì quá trình mất mát phức tạp này xảy ra trong một phần nhỏ của giây, việc mô tả đặc điểm của nó từ lâu đã là một thách thức. Lần đầu tiên, các tính toán lý thuyết chính xác về nguyên tắc đầu tiên về năng lượng bị mất vì nhiệt trong silicon, thành phần chính của pin mặt trời, đã được thực hiện. Sự hiểu biết này sẽ cho phép phát triển các thiết bị có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời được cải thiện đáng kể.
Sự va chạm
Hiểu được sự thất thoát năng lượng xảy ra như thế nào trong các vật liệu khi ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng, được gọi là động lực điện tử, là trọng tâm để cải thiện công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời. Những thách thức được đưa ra bởi thang thời gian dưới pico giây và vật lý phức tạp đã được khắc phục trong nghiên cứu lý thuyết cơ bản này, mở ra con đường mới để hướng dẫn sự phát triển của các vật liệu chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.
Tóm lược
Khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ trong pin mặt trời, các electron mang điện tích âm và các lỗ trống tích điện dương được tạo ra, từ đó tạo ra dòng điện tạo ra năng lượng. Ánh sáng bị hấp thụ tạo ra các điện tử và lỗ trống với một loạt năng lượng – những điện tử có năng lượng lớn hơn, được gọi là điện tử “nóng” và lỗ trống có xu hướng mất năng lượng dưới dạng nhiệt trước khi nó có thể được chuyển thành dòng điện. Trên thực tế, việc chuyển đổi năng lượng của vật mang nóng thành nhiệt là nguồn năng lượng thất thoát chính trong pin mặt trời.
Những tổn thất này là trung tâm của nhiều quá trình chuyển đổi năng lượng và xảy ra trong hầu hết các thiết bị chuyển đổi năng lượng điện tử / quang điện tử. Hơn nữa, chúng xảy ra ở tốc độ cực nhanh, thường là dưới 1 picose giây. Do quy mô thời gian dưới pico giây và vật lý phức tạp liên quan, đặc tính của chất mang nóng từ lâu đã là một thách thức ngay cả đối với những vật liệu đơn giản nhất. Nghiên cứu này tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cung cấpab các tính toán ban đầu về đặc tính hạt tải điện nóng và động lực học trong chất bán dẫn sử dụng lý thuyết nhiễu nhiều vùng thân mà không có bất kỳ tham số rút ra từ thực nghiệm nào. Sử dụng phương pháp trạng thái kích thích và mã máy tính, các đặc tính và động lực học của hạt tải điện nóng trong silicon đã được tính toán.
Hơn nữa, các hành vi của họ như một hàm thời gian được theo dõi trong pico giây đầu tiên sau khi hấp thụ ánh sáng mặt trời. Người ta đã chỉ ra rằng cơ chế mất mát chiếm ưu thế là sự tạo ra các phonon hoặc chuyển động dao động của các vị trí nguyên tử. Những kết quả này làm rõ cơ chế tiêu hao năng lượng đối với các hạt tải điện nóng và giải thích các thí nghiệm trước đây. Công việc này mở ra con đường sử dụng ab Initio tính toán để giải thích và hướng dẫn các thí nghiệm mới nhằm khai thác năng lượng từ hạt tải điện nóng trong chất bán dẫn và các hệ thống khác, đồng thời mở ra cánh cửa cho các vật liệu mới được thiết kế về mặt lý thuyết để chuyển đổi hiệu quả ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Xem thêm:
Lắp đặt điện năng lượng mặt trời gia đình