Японські вчені "зламали" фізику: сонячні панелі на даху видаватимуть 130% ефективності

Енергія не може бути створена або знищена. Це базова фізика. Просто неможливо створити енергію з нічого. Проте дослідники з Університету Кюсю в Японії кажуть, що розробили технологію, яка підштовхує ефективність перетворення енергії сонячних елементів до 130%.

Це значить, що фотоелектричні панелі незабаром зможуть виробляти значно більше електроенергії завдяки новій системі, яка радикально підвищує ефективність перетворення енергії в сонячних елементах.

На перший погляд результати дослідження, проведеного спільно з колегами з Університету Йоганна Ґутенберґа в Німеччині, звучать у кращому разі фантастично. Однак реальність значно тонша. Використовуючи заснований на молібдені металевий комплекс “перевертання спіну” у поєднанні з матеріалом для синглетного розщеплення, вченим вдалося отримати більше придатних носіїв заряду, ніж вхідних фотонів.

Розберемо все по порядку. У будь-який момент вдень Земля отримує приблизно 89 000 терават сонячної енергії — майже в 5 000 разів більше за щорічне глобальне споживання людством. Однак сучасні сонячні технології вловлюють лише незначну її частку.

Фотоелектричні сонячні елементи — ті, що першими спадають на думку, коли ви думаєте про сонячні панелі, — перетворюють лише близько 20% сонячного світла, що на них потрапляє, на придатну для використання електроенергію. Обмеження конверсії насамперед випливають із природи самого Сонця.

Сонячні елементи перетворюють світло на електрику через відносно простий процес. Фотони — пакети світлової енергії — надходять від Сонця і вдаряються об напівпровідниковий матеріал, як правило кремній. Коли фотон вдаряється, він передає свою енергію електрону в напівпровіднику, вибиваючи його і надаючи йому руху. Заряджені рухомі електрони утворюють електричний струм.

Проблема в тому, що фотони не рівні між собою. Вони надходять із дуже різними рівнями енергії залежно від довжини хвилі. Інфрачервоні фотони на низькоенергетичному кінці спектра не несуть достатньо енергії, щоб взагалі вибити електрони. Це фундаментальне розходження між надходженням енергії та електронним порогом напівпровідника накладає жорстку стелю на ефективність, відому як межа Шоклі-Квайссера.

Для стандартного однопереходного сонячного елемента ця стеля становить близько 33%. Тепер, за нормальних умов, один фотон збуджує один електрон, створюючи одну одиницю придатної для використання енергії, відому як екситон.

Синглетне розщеплення — це процес, при якому один високоенергетичний екситон розщеплюється на два низькоенергетичних екситони. Замість того щоб виробляти один екситон на фотон, процес дозволяє одному високоенергетичному фотону породжувати два низькоенергетичних екситони.

Теоретично це могло б подвоїти кількість придатних носіїв заряду. На практиці, однак, процес має суттєвий недолік: ці додаткові екситони надзвичайно важко вловити. Концепція синглетного розщеплення не нова. Проблема завжди полягала у вловлюванні. Перш ніж два нових екситони можна вилучити і використати, їх, як правило, перехоплюють конкуруючі механізми — наприклад, резонансний перенос енергії Фестера (FRET), при якому енергія фактично “викрадається” до того, як її можна використати.

Саме тут проявляється інновація дослідників, яка несе з собою елегантність фізики. Їхнє рішення: заснований на молібдені емітер “перевертання спіну” — система, яка вибірково захоплює ці інакше втрачені триплетні екситони.

Під час поглинання та випромінювання електрон всередині комплексу перевертає свій спін. Ця властивість робить його унікально придатним для прийому триплетних екситонів, вироблених синглетним розщепленням, ігноруючи при цьому конкуруючий шлях FRET. Результатом є вимірюваний квантовий вихід близько 130%. Це означає, що в середньому 1,3 екситона успішно збираються на кожен поглинений фотон.

Отже… чи це 130% ефективність перетворення для сонячних елементів? Аж ніяк. Енергетична ефективність 130% порушила б закон збереження енергії — наріжний камінь фізики. Те, чого досягли дослідники, — це 130% квантового виходу, міри не енергії, а носіїв заряду на фотон.

Простіше кажучи, сонячні елементи не поглинають більше сонячного світла, ніж зазвичай. Натомість вони витягують більше придатних носіїв заряду з того самого поглиненого світла, відновлюючи енергію, яка зазвичай втрачалася б у вигляді тепла від високоенергетичних фотонів.

Тепер, коли визначення “130%” зрозуміле, легше оцінити, чого насправді досягли дослідники. Вони продемонстрували реальний шлях до захоплення та використання екситонів, які раніше були недоступні. Пригнічуючи енергетичні втрати та покращуючи обробку високоенергетичних фотонів, система вирішує одну з ключових неефективностей сонячного перетворення. Фотони блакитного світла, які наразі перевищують поріг і скидають надлишок у вигляді тепла, натомість могли б розщеплюватися на два придатних екситони кожен, зменшуючи теплові втрати та збільшуючи струм.

Реалістичні прогнози свідчать, що добре спроектований сонячний елемент із синглетним розщепленням міг би суттєво підвищити ефективність порівняно з нинішніми комерційними панелями, причому деякі моделі наближаються до 35-45% за ідеальних умов. Це вдвічі більше, ніж у деяких моделях.

Варто зазначити, що молібден — на відміну від рідкісних і дорогих металів, що використовуються в багатьох передових технологіях — є відносно поширеним і дешевим матеріалом. Теоретична межа квантового виходу для цього методу синглетного розщеплення становить 200% — тобто нинішні 130% є лише початком того, чого потенційно можна досягти. Крім сонячної енергетики, дослідники вбачають перспективи застосування технології у світлодіодах та квантових технологіях наступного покоління.

Наразі стаття опублікована в “Журналі Американського хімічного товариства”. Експерименти проводилися в розчині на молекулярному рівні, що означає: до твердотільного сонячного елемента технологія ще проходить кілька важливих кроків.

Джерело: New Atlas