Ученые обошли ограничения солнечной энергии, которые долгое время считали непреодолимыми
- Ученые разработали метод удвоения энергии солнечных элементов с помощью синглетного разделения и специальных металлических комплексов.
- Эта технология, пока на ранней стадии, открывает перспективы для солнечной энергетики, светодиодов и квантовых технологий.
Ученые разработали метод, позволяющий солнечным элементам генерировать больше энергии, чем считалось физически возможным. Использование специальных металлических комплексов помогло преодолеть барьер эффективности, который десятилетиями ограничивал развитие альтернативной энергетики во всем мире.
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.