Як нова технологія дозволяє подвоїти кількість отриманої електрики?
Сучасна сонячна енергетика спирається на напівпровідники, які перетворюють фотони світла на рух електронів. Цей процес нагадує естафету, де енергія передається від однієї частинки до іншої. Проте значна частина сонячного спектра просто втрачається через природні обмеження матеріалів, пише SciTechDaily.
Дивіться також Сонячна електростанція на балконі: як працюють сучасні системи для квартир
Низькоенергетичні інфрачервоні фотони не мають достатньо сили, щоб збудити електрони, тоді як високоенергетичні частки, наприклад, синє світло, перетворюють свій надлишок на марне тепло. Це фізичне обмеження, відоме в науці як межа Шоклі-Квайссера, довгий час не дозволяло традиційним сонячним панелям використовувати більше однієї третини сонячного світла.
Для вирішення цієї проблеми дослідники з Університету Кюсю в Японії разом із колегами з Університету Йоганна Гутенберга в Німеччині застосували метод синглетного поділу.
Як пояснює доцент Йоїчі Сасакі з інженерного факультету Університету Кюсю, суть цієї технології полягає у здатності одного високоенергетичного фотона породжувати не один, а два екситони. Якщо за звичайних умов одна частка світла активує лише один синглетний екситон, то за допомогою нового підходу вона розщеплюється на два триплетні екситони з меншою енергією. Це потенційно подвоює корисний вихід енергії від кожного поглиненого кванта світла.
Проблема та її вирішення
Головною перешкодою на шляху до реалізації цієї "технології мрії" був механізм ферстерівського резонансного перенесення енергії, який вчені порівнюють із крадіжкою енергії. Вона просто зникає ще до того, як встигне відбутися процес множення.
Щоб запобігти таким втратам, команда створила унікальні металеві комплекси на основі молібдену, які виступають у ролі селективних приймачів енергії, як описано в дослідженні, яке опублікували в Journal of the American Chemical Society. Ці молекули, розроблені на молекулярному рівні, працюють як "спін-фліп" випромінювачі: під час взаємодії з ближнім інфрачервоним світлом електрон змінює свій спін, що дозволяє системі надзвичайно ефективно вловлювати енергію триплетного стану. Завдяки точному налаштуванню енергетичних рівнів команді вдалося мінімізувати втрати й виділити помножені екситони.
Успіх проєкту став можливим завдяки тісній міжнародній співпраці. Адріан Зауер, аспірант із німецької групи Хайнце, під час візиту до Японії звернув увагу на матеріали, які вже тривалий час вивчали в його університеті, що і стало поштовхом для спільного дослідження.
Під час випробувань системи на основі тетрацену в розчині вченим вдалося досягти квантового виходу на рівні 130 відсотків. Це означає, що на кожний поглинений фотон активувалося приблизно 1,3 молібденового металевого комплексу. Такий результат офіційно демонструє, що в системі генерується більше носіїв енергії, ніж було вхідних частинок світла, що фактично руйнує старі уявлення про абсолютні межі ефективності.
Перспективи й терміни застосування
Хоча зараз розробка перебуває на ранній стадії доказу концепції, вона відкриває величезні перспективи для глобальної індустрії. У планах вчених – інтеграція цих матеріалів у твердотільні системи для подальшого покращення передачі енергії та наближення до реального комерційного використання в сонячних батареях.
Окрім сонячної енергетики, поєднання синглетного поділу з металевими комплексами може знайти застосування у створенні світлодіодів нового покоління та розвитку інноваційних квантових технологій.