Международная группа исследователей предложила новый подход к повышению эффективности солнечных элементов, позволивший достичь квантового выхода на уровне 130%. Работа опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society (JACS).
Речь идет не о том, что солнечные панели вырабатывают больше энергии, чем получают. Показатель отражает эффективность на квантовом уровне — сколько возбужденных состояний возникает на один поглощенный фотон. Обычно солнечные элементы ограничены так называемым пределом Шокли — Квайссера, из-за которого их максимальная эффективность составляет около 33%. Значительная часть энергии теряется в виде тепла.
Чтобы обойти это ограничение, ученые использовали процесс синлетного деления (singlet fission), при котором энергия одного фотона делится на две части и создает сразу два возбужденных состояния — экситона.
«У нас есть два основных способа преодолеть этот предел. Один — преобразовывать инфракрасное излучение в видимое. Второй — использовать синлетное деление, чтобы получать два экситона из одного фотона», — пояснил химик Еити Сасаки из Университета Кюсю.
В эксперименте ученые использовали органическую молекулу тетрацена, которая эффективно «расщепляет» энергию фотона. Однако ранее ключевой проблемой было то, что энергия терялась слишком быстро и не успевала использоваться.
Чтобы решить эту задачу, исследователи добавили соединения молибдена. Этот металл позволил «захватывать» и удерживать образующиеся экситоны. В результате на один поглощенный фотон приходилось в среднем 1,3 возбужденного состояния — то есть квантовый выход превысил 100%.
По словам авторов работы, молибден в системе выполняет роль так называемого «излучателя со сменой спина», который помогает преобразовать скрытую энергию в свет и сохранить ее от потерь.
«Энергия может быть легко потеряна через механизм переноса Фёрстера, поэтому нам нужен был акцептор, который избирательно захватывает экситоны после деления», — отметил Сасаки.
Пока технология находится на ранней стадии: эксперименты проводились в жидкой среде. Следующий шаг — создание твердых материалов, которые можно будет интегрировать в реальные солнечные панели.
Кроме того, ученым предстоит решить проблему удержания энергии в системе достаточно долго, чтобы ее можно было эффективно использовать.
Тем не менее исследование демонстрирует принципиальную возможность преодоления фундаментальных ограничений солнечной энергетики. В перспективе такие технологии могут значительно повысить эффективность солнечных батарей и ускорить переход к возобновляемым источникам энергии.
Ранее в России создали ИИ, который предсказывает взаимодействие белков с точностью до 95%.