Door afgestane warmte weer op te nemen en doordat andere elektronen lagere energietoestanden bezet houden, raken hete elektronen in zonnecellen veel langzamer hun extra energie kwijt. Illustratie: ACS Energy Letters

In een zonnecel brengen invallende fotonen hun energie over op elektronen, die vervolgens uit het materiaal kunnen ontsnappen om bij te dragen aan de opgewekte stroom. Het probleem daarbij is dat sommige elektronen zóveel energie van een foton krijgen, dat ze zogenoemde hete elektronen worden. Die raken hun extra energie vervolgens binnen een paar picoseconden weer kwijt, voordat ze het materiaal kunnen verlaten.

In 2018 boekte Maria Loi, hoogleraar fotofysica en opto-elektronica, echter een opvallend experimenteel resultaat: in haar opstelling raakten hete elektronen in het materiaal tin-perovskiet hun energie een factor duizend langzamer kwijt. Waar dat door kwam, was alleen onduidelijk.

Door middel van simulaties hebben Jan Anton Koster, hoogleraar fysica van nieuwe halfgeleiders, en promovendus Tim Faber nu de verklaring van deze vertraagde afkoeling gevonden. Ten eerste nemen de hete elektronen een deel van de warmte die ze aan hun omgeving afstaan ook weer op. Ten tweede speelt het burstein-moss-effect een rol, waarbij andere elektronen in het materiaal lage energietoestanden bezetten. Daardoor is het voor de hete elektronen lastig om naar een lagere energietoestand over te gaan – en blijven ze dus langer heet. Mogelijk stelt deze verklaring van het gemeten effect onderzoekers in staat om met tin-perovskiet de ‘magische grens’ van 33 procent te doorbreken.

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Energy Letters