Японские ученые "сломали" физику: солнечные панели на крыше будут выдавать 130% эффективности

Энергия не может быть создана или уничтожена. Это базовая физика. Просто невозможно создать энергию из ничего. Однако исследователи из Университета Кюсю в Японии говорят, что разработали технологию, которая подталкивает эффективность преобразование энергии солнечных элементов до 130%.

Это значит, что фотоэлектрические панели вскоре смогут производить значительно больше электроэнергии благодаря новой системе, которая радикально повышает эффективность преобразования энергии в солнечных элементах.

На первый взгляд результаты исследования, проведенного совместно с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Германии, звучат в лучшем случае фантастически. Однако реальность значительно тоньше. Используя основанный на молибдене металлический комплекс «переворачивания спина» в сочетании с материалом для синглетного расщепления, ученым удалось получить больше пригодных носителей заряда, чем входящих фотонов.

Разберем все по порядку. В любой момент днем Земля получает примерно 89 000 тераватт солнечной энергии — почти в 5 000 раз больше ежегодного глобального потребления человечеством. Однако современные солнечные технологии улавливают лишь незначительную ее долю.

Фотоэлектрические солнечные элементы — те, что первыми приходят на ум, когда вы думаете о солнечных панелях, — преобразуют лишь около 20% солнечного света, что на них попадает, на пригодную для использования электроэнергию. Ограничения конверсии прежде всего вытекают из природы самого Солнца.

Солнечные элементы превращают свет в электричество через относительно простой процесс. Фотоны — пакеты световой энергии — поступают от Солнца и ударяются о полупроводниковый материал, как правило кремний. Когда фотон ударяется, он передает свою энергию электрона в полупроводнике, выбивая его и придавая ему движение. Заряженные движущиеся электроны образуют электрический ток.

Проблема в том, что фотоны не равны между собой. Они поступают с очень разными уровнями энергии в зависимости от длины волны. Инфракрасные фотоны на низкоэнергетическом конце спектра не несут достаточно энергии, чтобы вообще выбить электроны. Это фундаментальное различие между поступлением энергии и электронным порогом полупроводник накладывает жесткий потолок на эффективность, известный как предел Шокли-Квайссера.

Для стандартного однопереходного солнечного элемента этот потолок составляет около 33%. Теперь, при нормальных условиях, один фотон возбуждает один электрон, создавая одну единицу пригодной для использования энергии, известную как экситон.

Синглетное расщепление — это процесс, при котором один высокоэнергетический экситон расщепляется на два низкоэнергетических экситона. Вместо того чтобы производить один экситон на фотон, процесс позволяет одному высокоэнергетическому фотона порождать два низкоэнергетических экситона.

Теоретически это могло бы удвоить количество пригодных носителей заряда. На практике, однако, процесс имеет существенный недостаток: эти дополнительные экситоны чрезвычайно трудно уловить. Концепция синглетного расщепления не нова. Проблема всегда заключалась в улавливании. Прежде чем два новых экситона можно извлечь и использовать, их обычно перехватывают конкурирующие механизмы — например, резонансный перенос энергии Фестера (FRET), при котором энергия фактически «похищается» до того, как ее можно использовать.

Именно здесь проявляется инновация исследователей, которая несет с собой элегантность физики. Их решение: основанный на молибдене эмиттер «переворачивания спина» — система, которая избирательно захватывает эти иначе потерянные триплетные экситоны.

Во время поглощения и излучения электрон внутри комплекса переворачивает свой спин. Это свойство делает его уникально пригодным для приема триплетных экситонов, производимых синглетным расщеплением, игнорируя при этом конкурирующий путь FRET. Результатом является измеренный квантовый выход около 130%. Это означает, что в среднем 1,3 экситона успешно собираются на каждый поглощенный фотон.

Итак… это 130% эффективность преобразования для солнечных элементов? Никак нет. Энергетическая эффективность 130% нарушила бы закон сохранения энергии — краеугольный камень физики. То, чего достигли исследователи, — это 130% квантового выхода, меры не энергии, а носителей заряда на фотон.

Проще говоря, солнечные элементы не поглощают больше солнечного света, чем обычно. Вместо этого они извлекают больше пригодных носителей заряда из того же поглощенного света, восстанавливая энергию, которая обычно терялась бы в виде тепла от высокоэнергетических фотонов.

Теперь, когда определение «130%» понятно, легче оценить, чего на самом деле достигли исследователи. Они продемонстрировали реальный путь к захвату и использованию экситонов, которые ранее были недоступны. Подавляя энергетические потери и улучшая обработку высокоэнергетических фотонов, система решает одну из ключевых неэффективностей солнечного преобразования. Фотоны голубого света, которые сейчас превышают порог и сбрасывают избыток в виде тепла, зато могли бы расщепляться на два пригодных экситоны каждый, уменьшая тепловые потери и увеличивая ток.

Реалистичные прогнозы свидетельствуют, что хорошо спроектированный солнечный элемент с синглетным расщеплением мог бы существенно повысить эффективность по сравнению с с нынешними коммерческими панелями, причем некоторые модели приближаются к 35-45% при идеальных условиях. Это вдвое больше, чем в некоторых моделях.

Стоит отметить, что молибден — в отличие от редких и дорогих металлов, которые используются во многих передовых технологиях — является относительно распространенным и дешевым материалом. Теоретический предел квантового выхода для этого метода синглетного расщепления составляет 200% — то есть нынешние 130% являются лишь началом того, чего потенциально можно достичь. Кроме солнечной энергетики, исследователи видят перспективы применения технологии в светодиодах и квантовых технологиях следующего поколения.

Сейчас статья опубликована в «Журнале Американского химического общества». Эксперименты проводились в растворе на молекулярном уровне, что означает: до твердотельного солнечного элемента технология еще проходит несколько важных шагов.

Источник: New Atlas