Учените заобиколиха ограниченията на слънчевата енергия, които дълго време се смятаха за непреодолими

Учени са разработили метод, който позволява на слънчевите клетки да генерират повече енергия, отколкото се смяташе досега за физически възможно. Използването на специализирани метални комплекси е помогнало за преодоляването на бариерата на ефективността, която е ограничавала развитието на алтернативната енергия в световен мащаб в продължение на десетилетия.

Как новите технологии могат да удвоят количеството произведена електроенергия?

Съвременната слънчева енергия разчита на полупроводници, които преобразуват фотоните светлина в движение на електрони. Този процес наподобява щафетно състезание, при което енергията се предава от една частица на друга. Значителна част от слънчевия спектър обаче просто се губи поради естествените ограничения на материалите, пише SciTechDaily.

Нискоенергийните инфрачервени фотони нямат достатъчно мощност, за да възбудят електрони, докато високоенергийните частици, като например синята светлина, превръщат излишъка си в безполезна топлина. Това физическо ограничение, известно научно като границата на Шокли-Квайсер, отдавна е пречело на традиционните слънчеви панели да използват повече от една трета от слънчевата светлина.

За да решат този проблем, изследователи от университета Кюшу в Япония, заедно с колеги от университета Йоханес Гутенберг в Германия, са използвали метода на синглетното делене.

Както обяснява доцент Йоичи Сасаки от Инженерния факултет на университета Кюшу, същността на тази технология се крие в способността на един-единствен високоенергиен фотон да генерира не един, а два екситона. Докато при нормални условия една светлинна частица активира само един синглетен екситон, новият подход го разделя на два нискоенергийни триплетни екситона. Това потенциално удвоява полезния енергиен добив от всеки абсорбиран светлинен квант.

Проблемът и неговото решение

Основната пречка за реализирането на тази „мечтана технология“ беше механизмът за пренос на енергия на Форстър, който учените сравняват с кражба на енергия. Той просто изчезва, преди да може да се осъществи процесът на умножение.

За да предотвратят подобни загуби, екипът създаде уникални метални комплекси на основата на молибден, които действат като селективни поглътители на енергия, както е описано в проучването, публикувано в Journal of the American Chemical Society. Тези молекули, проектирани на молекулярно ниво, действат като емитери със „спин-флип“: при взаимодействие с близка инфрачервена светлина, електронът обръща спина си, позволявайки на системата да улавя енергията на триплетното състояние изключително ефективно. Чрез прецизна настройка на енергийните нива, екипът успява да минимизира загубите и да изолира умножените екситони.

Успехът на проекта е осъществен благодарение на тясно международно сътрудничество. Адриан Зауер, докторант в немската група на Хайнце, забелязва материалите, които са били изучавани в неговия университет от дълго време, което дава тласък на съвместното изследване.

По време на тестовете на системата на базата на тетрацен в разтвор, учените постигнали квантов добив от 130 процента. Това означава, че за всеки абсорбиран фотон са активирани приблизително 1,3 молибденови метални комплекса. Този резултат официално демонстрира, че системата генерира повече енергийни носители, отколкото входящите светлинни частици, като по този начин ефективно разбива старите представи за абсолютните граници на ефективност.

Перспективи и срокове за приложение

Въпреки че разработката в момента е в ранен етап на доказателство за концепция, тя предлага огромен потенциал за световната индустрия. Учените планират да интегрират тези материали в твърдотелни системи, за да подобрят допълнително преноса на енергия и да напреднат към търговска употреба в слънчевите клетки.

В допълнение към слънчевата енергия, комбинацията от синглетно разделяне с метални комплекси може да намери приложение при създаването на светодиоди от следващо поколение и разработването на иновативни квантови технологии.