Ученые впервые превысили предел эффективности солнечных батарей

Международная группа исследователей предложила новый подход к повышению эффективности солнечных элементов, позволивший достичь квантового выхода на уровне 130%.

Как передает Day.Az со ссылкой на Gazeta.ru, 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 синглетного 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 синглетное 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 Ферстера, 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.