I fotoni con energia superiore alla banda proibita del semiconduttore che li assorbe danno origine ai cosiddetti elettroni caldi. L'energia extra rispetto al band gap si perde molto velocemente, in quanto viene convertito in calore e non contribuisce alla tensione. La professoressa di fotofisica e optoelettronica dell'Università di Groninga Maria Antonietta Loi ha ora trovato un materiale in cui questi elettroni caldi mantengono i loro alti livelli di energia per molto più tempo. Ciò potrebbe consentire di utilizzare più energia per ottenere una tensione più elevata. I suoi risultati sono stati pubblicati il ​​16 gennaio in Comunicazioni sulla natura .

L'efficienza dei pannelli solari è ostacolata da un problema di riccioli d'oro:i fotoni devono avere la giusta quantità di energia per essere convertiti in elettroni liberi, che contribuiscono alla tensione. Troppa poca energia, e i fotoni passano proprio attraverso il pannello solare. Troppo, e l'energia in eccesso scompare sotto forma di calore. Ciò è dovuto alla creazione di elettroni caldi (ad alta energia). Prima che possano essere estratti dalle celle solari, questi elettroni caldi prima cedono la loro energia in eccesso provocando vibrazioni nel materiale cristallino del pannello solare. "Questa perdita di energia pone un limite alla massima efficienza delle celle solari, " spiega Loi.

Sta lavorando a un tipo speciale di cella solare fatta di perovskiti ibride organiche-inorganiche. Le perovskiti prendono il nome da un minerale che ha la formula chimica ABX ₃ . In posizione X, gli anioni formano un ottaedro, mentre in posizione A, i cationi formano un cubo intorno a loro, mentre un catione centrale assume la posizione B. Molti materiali della famiglia delle perovskiti adottano questa struttura cristallina. Le perovskiti ibride contengono cationi organici in posizione A.

La maggior parte delle celle solari ibride-perovskite contiene piombo, che è tossico. Il gruppo di Loi ha recentemente pubblicato un articolo che descrive un'efficienza record del 9% in una cella solare ibrida-perovskite contenente stagno innocuo invece di piombo. "Quando abbiamo studiato ulteriormente questo materiale, abbiamo osservato qualcosa di strano, " continua. I risultati potrebbero solo significare che gli elettroni caldi prodotti nelle celle solari a base di stagno hanno impiegato circa mille volte più tempo del solito per dissipare la loro energia in eccesso.

"Gli elettroni caldi hanno emesso la loro energia dopo diversi nanosecondi invece di alcune centinaia di femtosecondi. Trovare elettroni caldi così longevi è ciò che tutti in questo campo sperano, " dice Loi. La loro maggiore durata consente di raccogliere l'energia di questi elettroni prima che si trasformi in calore. "Ciò significa che potremmo raccogliere elettroni con un'energia maggiore e quindi creare una tensione più elevata nella cella solare". I calcoli teorici mostrano che da raccogliendo gli elettroni caldi, l'efficienza massima per le celle solari ibride-perovskite potrebbe aumentare dal 33 al 66 percento.

Il prossimo passo è scoprire perché la perovskite ibrida a base di stagno rallenta il decadimento degli elettroni caldi. Quindi nuovi materiali perovskite potrebbero essere progettati con elettroni caldi ancora più lenti. "Queste perovskiti a base di stagno potrebbero essere un punto di svolta, e potrebbe in definitiva dare un grande contributo alla fornitura di energia pulita e sostenibile in futuro".