Как новая технология позволяет удвоить количество полученного электричества?

Современная солнечная энергетика опирается на полупроводники, которые превращают фотоны света в движение электронов. Этот процесс напоминает эстафету, где энергия передается от одной частицы к другой. Однако значительная часть солнечного спектра просто теряется из-за естественных ограничений материалов, пишет SciTechDaily.

Смотрите также Солнечная электростанция на балконе: как работают современные системы для квартир

Низкоэнергетические инфракрасные фотоны не имеют достаточно силы, чтобы возбудить электроны, тогда как высокоэнергетические частицы, например, синий свет, превращают свой избыток в бесполезное тепло. Это физическое ограничение, известное в науке как предел Шокли-Квайссера, долгое время не позволяло традиционным солнечным панелям использовать более одной трети солнечного света.

Для решения этой проблемы исследователи из Университета Кюсю в Японии вместе с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Германии применили метод синглетного деления.

Как объясняет доцент Йоичи Сасаки с инженерного факультета Университета Кюсю, суть этой технологии заключается в способности одного высокоэнергетического фотона порождать не один, а два экситона. Если при обычных условиях одна частица света активирует только один синглетный экситон, то с помощью нового подхода она расщепляется на два триплетных экситона с меньшей энергией. Это потенциально удваивает полезный выход энергии от каждого поглощенного кванта света.

Проблема и ее решение

Главным препятствием на пути к реализации этой "технологии мечты" был механизм ферстеровского резонансного переноса энергии, который ученые сравнивают с кражей энергии. Она просто исчезает еще до того, как успеет произойти процесс умножения.

Чтобы предотвратить такие потери, команда создала уникальные металлические комплексы на основе молибдена, которые выступают в роли селективных приемников энергии, как описано в исследовании, которое опубликовали в Journal of the American Chemical Society. Эти молекулы, разработаны на молекулярном уровне, работают как "спин-флип" излучатели: при взаимодействии с ближним инфракрасным светом электрон меняет свой спин, что позволяет системе чрезвычайно эффективно улавливать энергию триплетного состояния. Благодаря точной настройке энергетических уровней команде удалось минимизировать потери и выделить умноженные экситоны.

Успех проекта стал возможным благодаря тесному международному сотрудничеству. Адриан Зауэр, аспирант из немецкой группы Хайнце, во время визита в Японию обратил внимание на материалы, которые уже длительное время изучали в его университете, что и стало толчком для совместного исследования.

Во время испытаний системы на основе тетрацена в растворе ученым удалось достичь квантового выхода на уровне 130 процентов. Это означает, что на каждый поглощенный фотон активировалось примерно 1,3 молибденового металлического комплекса. Такой результат официально демонстрирует, что в системе генерируется больше носителей энергии, чем было входящих частиц света, что фактически разрушает старые представления об абсолютных границах эффективности.

Перспективы и сроки применения

Хотя сейчас разработка находится на ранней стадии доказательства концепции, она открывает огромные перспективы для глобальной индустрии. В планах ученых – интеграция этих материалов в твердотельные системы для дальнейшего улучшения передачи энергии и приближения к реальному коммерческому использованию в солнечных батареях.

Кроме солнечной энергетики, сочетание синглетного разделения с металлическими комплексами может найти применение в создании светодиодов нового поколения и развития инновационных квантовых технологий.