RW Space

Ученые постоянно расширяют границы эффективности солнечных батарей – сколько доступного солнечного света превращается в электричество – и новый подход к технологии привел к удивительно высокому «квантовому выходу» в 130 процентов.

Важно отметить, что это возврат энергии на квантовом уровне, поэтому мы не говорим о солнечной панели, преобразующей солнечный свет в электричество со 130-процентной скоростью. Однако этот прорыв заключается в повышении эффективности с точки зрения того, как часто происходит определенное событие на каждый фотон, поглощенный системой.

Чтобы преодолеть 100-процентный барьер, новый подход разделяет энергию, полученную от одного входящего фотона света, на два, которые затем приводят в действие два возбужденных состояния (известных как экситоны) в принимающем материале.

Это процесс, известный как синглетное деление, и, как объясняет международная группа, проводившая исследование, он предотвращает потерю избыточной энергии в виде тепла.

Эта потеря является одной из причин того, что солнечные элементы обычно достигают максимума на отметке около 33 процентов с точки зрения общей эффективности, ограничение, известное как предел Шокли-Кейссера.

«У нас есть две основные стратегии, позволяющие преодолеть этот предел», — говорит химик Йоичи Сасаки из Университета Кюсю в Японии.

«Одна из них — преобразовать инфракрасные фотоны с более низкой энергией в видимые фотоны с более высокой энергией. Другая, которую мы здесь исследуем, — использовать синглетное деление для генерации двух экситонов из одного экситонного фотона».

Исследователи использовали органическую молекулу. называемый тетраценом, который действует здесь как расщепляющийся материал, через который может происходить синглетное деление. Его свойства делают его подходящим для разделения одного пакета с высокой энергией на два пакета с более низкой энергией посредством электронного возбуждения.

Однако синглетное деление не является совершенно новой концепцией и представляет собой лишь половину дела. Главным камнем преткновения в предыдущих экспериментах было предоставление синглетному делению достаточно времени для работы, прежде чем энергия была потеряна или передана куда-либо еще.

И здесь на помощь приходит металлический элемент молибден, снова выбранный из-за его особых свойств. Смешав его с тетраценом, команда смогла уловить расщепленные экситоны в соединении молибдена.

На мельчайших квантовых уровнях молибден действует как так называемый эмиттер с переворотом спина. Сначала он фиксирует энергию, а затем использует квантовый переворот спина, чтобы превратить невидимые состояния в свет. Это дало команде революционный результат: на один поглощенный фотон возбуждается 1,3 металлокомплекса на основе молибдена.

«Энергию можно легко «украсть» с помощью механизма, называемого резонансной передачей энергии Фёрстера (FRET), до того, как произойдет размножение», — говорит Сасаки.

«Поэтому нам нужен был акцептор энергии, который избирательно захватывал бы умноженные триплетные экситоны после деления».

Стоит еще раз подчеркнуть, что это ранние лабораторные тесты. Следующим шагом будет преобразование используемого здесь жидкого раствора в твердую форму, которую можно будет надежно и эффективно установить на солнечную панель, что, как признают сами исследователи, будет довольно сложной задачей.

Существует также проблема с тем, что комплексы молибдена удерживают энергию достаточно долго, чтобы она могла быть полезной, а также улавливают ее в первую очередь. Этому «процессу распада» посвящено еще одно исследование.

По теме: Новые солнечные панели могут самовосстанавливаться от повреждений в космосе

Однако будущие практические проблемы не должны лишать интереса исследования: оно ясно указывает путь к солнечным панелям, которые могут выйти за пределы сегодняшних пределов эффективности, и существует множество способов, которыми эту проверку концепции можно настроить и поэкспериментировать с ней. вперед.

Поскольку солнечная энергия является жизненно важной частью снижения нашей зависимости от ископаемого топлива и замедления изменения климата, возможность существенно улучшить коэффициенты конверсии на солнечных панелях потенциально может стать преобразующим фактором для энергетической отрасли, особенно в сочетании с новыми механизмами хранения энергии.

«Эта работа представляет собой значительный шаг на пути к разработке материалов для усиления экситонов/фотонов путем объединения материалов синглетного деления с комплексами переходных металлов, продвигая применение синглетного деления за пределы обычных ограничений», — пишут авторы статьи. исследователи в своей статье.

Результат исследования был опубликован в Журнале Американского химического общества.