在能源部的橡樹嶺國家實驗室和田納西大學諾克斯維爾分校的帶領(lǐng)下，一項對光明的太陽能材料的研究揭示了一種減慢聲子的方法，聲子是一種傳導熱量的波。這一發(fā)現(xiàn)可以改善新型的熱載流子太陽能電池，通過在光生電荷載流子失去能量來加熱之前利用光生電荷載流子，可以比傳統(tǒng)太陽能電池更有效地將陽光轉(zhuǎn)化為電能。

ORNL的邁克爾·曼利說：“我們證明，可以通過改變光伏材料中氫原子的質(zhì)量來控制熱傳輸和載流子冷卻時間。” “這種延長??電荷載流子壽命的途徑為在新型熱載流子太陽能電池中實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的太陽能轉(zhuǎn)換效率提供了新的策略。”

UT的Mahshid Ahmadi指出：“調(diào)整有機分子的動力學特性可以控制對有機金屬鈣鈦礦中導熱性很重要的聲子。” 這些半導體材料有望用于光伏應(yīng)用。

Manley和Ahmadi設(shè)計并管理了這項研究，并發(fā)表在《科學進展》上。材料合成，中子散射，激光光譜學和凝聚態(tài)理論的專家們發(fā)現(xiàn)了一種通過將較輕的同位素替換為有機金屬鈣鈦礦中的較重同位素來抑制無用電荷冷卻的方法。

當陽光照射到太陽能電池上時，光子會在吸收材料中產(chǎn)生電荷載流子(電子和空穴)。熱載太陽能電池將電荷載流子的能量迅速轉(zhuǎn)換為電能，然后再浪費為廢熱。對于這些太陽能電池而言，防止熱量損失是一個巨大的挑戰(zhàn)，這些太陽能電池的效率是傳統(tǒng)太陽能電池的兩倍。

常規(guī)鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已從2009年的3%提高到2020年的25%以上。設(shè)計良好的熱載流子器件理論上的轉(zhuǎn)換效率可達到66%。

研究人員研究了鈣鈦礦吸收劑材料甲基銨碘化鉛。在其晶格中，原子的集體激發(fā)會產(chǎn)生振動。彼此同步運動的振動是聲子，而不同步運動的是光學聲子。

ORNL的合著者拉斐爾·赫爾曼(Raphael Hermann)解釋說：“通常，載流子首先將熱量轉(zhuǎn)移給光子，而聲子的傳播要比聲子慢。” “后來，光學聲子與帶走這種能量的聲子相互作用。”

但是，在一個稱為“熱聲子瓶頸”的區(qū)域中，外來物理阻止了電子因傳遞熱量的集體振動而失去能量。為了增強光伏鈣鈦礦中的這種效果，研究人員使用了慣性，即物體保持靜止狀態(tài)或移動狀態(tài)的趨勢。