Mokslininkai nuolat stumia saulės elementų efektyvumo ribas – kiek turimos saulės šviesos paverčiama elektra – ir naujas požiūris į technologiją lėmė stebėtinai aukštą 130 procentų „kvantinį derlių“.
Svarbu pažymėti, kad tai yra kvantinio lygio energijos grąža, todėl nekalbame apie saulės bateriją, paverčiančią saulės šviesą į elektros energiją 130 procentų greičiu. Tačiau proveržis yra efektyvumo padidėjimas, atsižvelgiant į tai, kaip dažnai konkretus įvykis įvyksta vienam sistemos sugertam fotonui.
Kad peržengtų 100 procentų barjerą, naujasis metodas padalija energiją, surinktą iš vieno įeinančio šviesos fotono į dvi dalis, kurios tada priima dvi sužadintas būsenas (žinomas kaip eksitonai).
Tai procesas, žinomas kaip vienetinis dalijimasis, ir, kaip aiškina tarptautinė tyrimo komanda, jis neleidžia perteklinei energijai prarasti šilumos pavidalu.
Šis praradimas yra dalis priežasties, dėl kurios saulės elementų bendras efektyvumas paprastai pasiekia 33 proc. ribą, ty apribojimas, žinomas kaip Shockley-Queisser riba.
„Turime dvi pagrindines strategijas, kaip peržengti šią ribą“, – sako chemikas Yoichi Sasaki iš Kyushu universiteto Japonijoje.
„Vienas iš jų yra paversti mažesnės energijos infraraudonųjų spindulių fotonus į aukštesnės energijos matomus fotonus. Kitas, ką mes čia tyrinėjame, yra panaudoti vienetinį dalijimąsi, kad iš vieno eksitono fotono būtų generuojami du eksitonai.”
Tyrėjai panaudojo organinę molekulę, vadinamą tetracenu, kad čia veiktų kaip skilimo medžiaga, per kurią gali veikti singleto dalijimasis. Dėl savo savybių jis tinka padalyti vieną didelės energijos paketą į du mažesnės energijos paketus per elektronų sužadinimą.
Vis dėlto pavienių dalijimosi sąvoka nėra visiškai nauja ir čia yra tik pusė istorijos. Pagrindinis ankstesnių eksperimentų kliūtis buvo tai, kad pavieniui dalijimuisi buvo suteikta pakankamai laiko veikti, kol energija buvo prarasta arba perkelta kitur.
Čia atsiranda metalinis elementas molibdenas, vėl pasirinktas dėl ypatingų savybių. Sumaišius jį su tetracenu, komanda sugebėjo sugauti suskaidytus eksitonus molibdeno junginyje.
Mažiausiu kvantiniu lygiu molibdenas veikia kaip vadinamasis besisukantis spinduolis. Pirma, jis užrakina energiją, o tada naudoja kvantinį sukimąsi, kad nematomas būsenas paverstų šviesa. Tai davė komandai proveržio rezultatą: vienam absorbuotam fotonui buvo sužadintas 1,3 molibdeno metalo komplekso.
„Energiją galima lengvai pavogti naudojant mechanizmą, vadinamą Försterio rezonanso energijos perdavimu (FRET), prieš dauginant“, – sako Sasaki.
„Todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai užfiksuotų padaugintus tripletus eksitonus po dalijimosi.
Verta dar kartą pabrėžti, kad tai ankstyvieji laboratoriniai tyrimai. Kiti žingsniai – čia naudojamą skystą tirpalą paversti kietu pavidalu, kurį būtų galima patikimai ir efektyviai pritvirtinti prie saulės kolektorių – tai patys mokslininkai pripažįsta, kad tai bus nemenkas iššūkis.
Taip pat yra problema, kad molibdeno kompleksai pakibtų ant energijos pakankamai ilgai, kad ji būtų naudinga, o taip pat pirmiausia ją užfiksuotų. Šis „skilimo procesas” yra kažkas kita, apie kurią kalbama tyrime.
Susijęs: Naujos saulės baterijos gali išsigydyti nuo žalos kosmose
Tačiau šie būsimi praktiniai rūpesčiai neturėtų atimti tyrimo įspūdžių: jame aiškiai nurodytas kelias link saulės baterijų, kurios gali viršyti šiandienos efektyvumo ribas, ir yra daug būdų, kaip šį koncepcijos įrodymą galima patobulinti ir eksperimentuoti.
Kadangi saulės energija yra gyvybiškai svarbi mažinant mūsų priklausomybę nuo iškastinio kuro ir lėtinant klimato kaitą, galimybė iš esmės pagerinti saulės baterijų konversijos koeficientus galėtų pakeisti energetikos pramonę, ypač kai ji būtų derinama su naujais energijos kaupimo mechanizmais.
„Šis darbas yra reikšmingas žingsnis kuriant eksitono / fotono amplifikacijos medžiagas, derinant pavienių dalijimosi medžiagas su pereinamojo metalo kompleksais, skatinant vienetinio dalijimosi taikymą už įprastų apribojimų”, – rašo mokslininkai.
Tyrimas buvo paskelbtas Amerikos chemijos draugijos leidinys.
