Новий прорив у галузі сонячної енергетики, що дозволяє багаторазово збільшувати енергію, може підвищити ефективність до більш ніж 100% та змінити підхід до використання сонячного світла.
Сонячна енергія широко розглядається як ключовий інструмент для зниження залежності від викопного палива та уповільнення зміни клімату. Сонце кожну секунду передає на Землю величезну кількість енергії, але сучасні сонячні батареї можуть вловлювати лише її невелику частину. Це обмеження пов'язане з так званою «фізичною стелею», яка тривалий час вважалася неминучою.
Проривна технологія «перевороту спіну» підвищує ефективність сонячної енергії
У дослідженні, опублікованому у журналі Американського хімічного товариства, дослідники з Університету Кюсю в Японії у співпраці з колегами з Університету імені Йоганна Гутенберга (JGU) у Майнці, Німеччина, представили новий підхід до подолання цього бар'єру. Вони використовували комплекс металу на основі молібдену, відомий як випромінювач «перевороту спіну» (спін-фліп), для уловлювання додаткової енергії за допомогою синглетного поділу (SF), що часто описується як «ідеальна технологія» для покращення перетворення світла. Цей метод дозволив досягти ефективності перетворення енергії близько 130%, перевищивши традиційну 100% межу і вказуючи на можливість створення більш потужних сонячних елементів у майбутньому.
Як працюють сонячні елементи та чому втрачається енергія
Сонячні елементи генерують електрику, коли фотони сонячного світла потрапляють на напівпровідник і передають свою енергію електронам, рухаючи їх і створюючи електричний струм. Цей процес можна представити як естафету, де енергія передається частка за часткою.
Однак не все сонячне світло робить однаковий внесок. Низькоенергетичні інфрачервоні фотони не мають достатньої потужності для збудження електронів, у той час, як високоенергетичні фотони, такі як синє світло, втрачають надмірну енергію у вигляді тепла. Через цей дисбаланс сонячні елементи можуть використовувати тільки приблизно одну третину сонячного світла, що надходить. Це обмеження відоме як межа Шокклі-Квіссера і протягом десятиліть є серйозною проблемою.
Використання синглетного поділу для збільшення енергії
"Ми маємо дві основні стратегії для подолання цієї межі", — каже Йоїчі Сасакі, доцент інженерного факультету Університету Кюсю. "Один зі способів — перетворення низькоенергетичних інфрачервоних фотонів у високоенергетичні видимі фотони. Інший спосіб, який ми тут досліджуємо - використання SF для генерації двох екситонів з одного екситонного фотона".
У типових умовах один фотон після збудження виробляє лише один спін-синглетний екситон. За допомогою SF цей єдиний високоенергетичний екситон може розщеплюватися на два низькоенергетичні спін-триплетні екситони, потенційно подвоюючи корисну енергію. Хоча такі матеріали, як тетрацен, можуть підтримувати цей процес, ефективне вловлювання екситонів, що утворюються, залишалося складним завданням.
Подолання втрати енергії при FRET
"Енергію можна легко 'викрасти' за допомогою механізму, який називають резонансним перенесенням енергії Ферстера (FRET), до того, як відбудеться множення", — пояснює Сасакі. "Тому нам потрібен був акцептор енергії, який вибірково захоплює помножені триплетні екситони після поділу".
Для розв'язання цієї проблеми дослідники звернулися до металокомплексів, які можна сконструювати на молекулярному рівні. Вони визначили молібденовий спін-фліп випромінювач, здатний ефективно збирати енергію, що утворюється під час SF. У цих молекулах електрон змінює свій спін при взаємодії з ближнім інфрачервоним світлом, що дозволяє системі ефективно поглинати енергію триплетного стану.
Ретельно регулюючи енергетичні рівні, команда зменшила втрати від FRET та забезпечила селективне вилучення помножених екситонів.
Співробітництво та експериментальні результати
"Ми не змогли б цього досягти без групи Хайнце з Університету імені І.Г. Майнця", — каже Сасакі. Адріан Зауер, аспірант із цієї групи, який приїхав до Університету Кюсю з обміну та другий автор статті, звернув увагу команди на матеріал, який давно вивчається там, що й призвело до співпраці.
При поєднанні з матеріалами на основі тетрацену у розчині система успішно збирала енергію з квантовим виходом близько 130%. На практиці це означає, що на кожен поглинений фотон активувалося близько 1,3 комплексу металів на основі молібдену, що перевищує загальноприйняту межу і демонструє, що генерується більше носіїв енергії, ніж фотонів, що надходять.
Перспективні застосування в сонячних та квантових технологіях
Це дослідження представляє нову стратегію посилення екситонів, хоча вона досі перебуває на ранній стадії перевірки концепції. Команда планує інтегрувати матеріали до твердотілих систем для покращення передачі енергії та наближення до реальних застосувань сонячних елементів.
Отримані результати також можуть надихнути на подальшу роботу з поєднання синглетного поділу з комплексами металів, з потенційним застосуванням не тільки в сонячній енергетиці, а й у світлодіодах та нових квантових технологіях.
