Японски учени разработиха соларен панел с невероятната квантова ефективност от 130%

Дори в научнофантастичните произведения ефективността на енергийните източници не може да надвишава 100% – такава е физиката на нашата Вселена. Загуби има винаги. Задачата на учените е да намалят обема на загубите, което става толкова по-трудно, колкото повече се приближаваме към теоретичната граница. За класическия слънчев елемент с p-n преход границата на ефективност е 33%, но физиката на слънчевата светлина е по-сложна и учени от Япония намериха начин да излязат далеч извън границите на тази теория.

Идеята е разработена от изследователи от Университета в Киушу в сътрудничество с Университета „Йоханес Гутенберг“ в Германия. В класическия фотоелемент един погълнат фотон създава в полупроводника един екзитон (електрон и дупка). Фотонът е един квант светлина (минималната възможна единица енергия на електромагнитното излъчване с дадена дължина на вълната). Той не може да създаде повече от един електрон. Тази енергия се поглъща от електрона и го превежда в възбудено състояние, изпращайки го да пътува из материала под формата на електрически ток.

Електроните реагират само на светлина (фотони) с определена дължина на вълната. Те не поглъщат енергийни кванти в долния и горния диапазон на излъчването. Такива материали просто не съществуват в природата или учените все още не са се научили да ги създават. В същото време такива „извънредни“ фотони попадат върху слънчевия панел, но не създават в него поток от електрони, а само се разсейват под формата на топлина. Това е резервът, който учените успяха да привлекат за производството на електроенергия. По-конкретно, те успяха да използват с полза високоенергийните фотони от синята част на спектъра.

Механизмът на действие на технологията се основава на два ключови процеса. Високоенергийните (сини) фотони в материала претърпяват синглетно разпадане: един екситон се разделя на два с по-ниска енергия и вече всеки от тези два екситона се улавя от вградения във фотоелемента „молибденов комплекс“ в комбинация с определен материал. По този начин вместо един електрон „синият“ фотон фактически възбужда в материала два електрона за генериране на ток. Същевременно комбинацията от материали потиска така наречения Фьорстеров пренос на енергия, който при обичайни условия би блокирал възбуждането на определено количество електрони и би понижил КПД.

Експериментите показаха впечатляващи резултати, а именно квантова ефективност от около 130% (1,3 екзитона на фотон).

Според оценките на изследователите, такава технология е в състояние да повиши теоретичната ефективност на еднопреходните слънчеви елементи до 35-45%, което значително надвишава границата на Шокли-Квайзер (33%) за традиционните силициеви панели и реалните показатели на търговските модули (20-25%). Постижението все още е в етап на доказване на концепцията и е реализирано в разтвор от молекули, но поставя основата за пробив в производството на слънчева енергия.