반도체에서 흡수하는 '밴드 갭 (band gap)'보다 높은 에너지를 지닌 광자는 핫 전자 (hot electron)로 알려진 입자를 발생시킨다. 밴드 갭에 대한 추가 에너지는 열로 변환되어 전압에 기여하지 않으므로 매우 빠르게 된다. 연구팀은 이 핫 전자가 훨씬 더 높은 에너지 레벨을 유지하는 물질을 발견했다. 이렇게 하면 더 높은 전압을 얻기 위해 더 많은 에너지를 사용할 수 있다. 연구 결과는 네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications, "Long-lived hot-carrier light emission and large blue shift in formamidinium tin triiodide perovskites")에서 최근 발표되었다.

태양 전지 패널의 효율은 골디락스(Goldilocks) 문제로 인해 방해 받고 있다. 광자는 전압에 기여하는 자유 전자로 변환되는데 필요한 양의 에너지만을 필요로 한다. 에너지가 너무 적으면 태양 광 패널을 통해 광자가 바로 지나가지만 너무 많으면 과도한 에너지가 열로 사라진다.

후자는 핫 (고 에너지) 전자의 생성의 원인이 된다. 그들이 태양 전지에서 추출되기 전에, 이 핫 전자는 먼저 태양 전지판의 결정체에 진동을 일으킴으로써 과도한 에너지를 방출한다. 이 에너지 손실은 태양 전지의 최대 효율을 제한한다.

연구팀은 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트로 만들어진 특별한 유형의 태양 전지를 연구하고 있다. 페로브스카이트는 화학 공식 ABX3가 있는 무기물 이름을 따서 명명된다. X 위치에서, 음이온은 팔면체를 형성하고, A 위치에서 양이온은 그 주위에 큐브를 형성하고, 중앙 양이온은 B로 위치한다. 페로브스카이트 계의 많은 물질은 이 결정 구조를 채택한다. 하이브리드 페로브스카이트는 A 위치에 유기 양이온을 함유하고 있다.

대부분의 하이브리드-페로브스카이트 태양 전지는 독성이 있는 납을 함유하고 있다. 연구팀은 최근 납 대신 무해한 주석을 포함하는 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지에서 9 %의 기록적인 효율을 기록한 논문을 발표했다. 연구팀이 이 물질을 더 연구했을 때, 이상한 것을 관찰했다. 그 결과는 주석 기반 태양 전지에서 생성된 고온 전자가 초과 에너지를 분산시키기 위해 평소보다 약 천 배나 더 오래 걸렸다.

핫 전자는 수백 펨토초 대신 몇 나노초 후에 에너지를 방출했다. 그러한 긴 수명의 핫 전자을 찾는 것은 이 분야의 모든 사람들이 바라는 것이다. 수명이 길어지면 열이 되기 전에 이러한 전자의 에너지를 수확할 수 있다. 이것은 더 높은 에너지로 전자를 수확할 수 있고 따라서 태양 전지에서 더 높은 전압을 생성할 수 있음을 의미한다. 이론적인 계산에 따르면 핫 전자를 수확하면 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지의 최대 효율이 33에서 66 %로 증가할 수 있다.

다음 단계는 주석 기반 하이브리드 페로브스카이트가 핫 전자의 소멸을 늦추는 이유를 찾는 것이다. 그런 다음 새로운 페로브스카이트 물질을 더 느린 핫 전자로 설계할 수 있을 것이다. 이러한 주석 기반 페로브스카이트는 게임 체인저가 될 수 있으며 미래에 청정하고 지속가능한 에너지를 제공하는데 궁극적으로 큰 공헌을 할 수 있다.