Новый подход к увеличению эффективности солнечных элементов

Исследователи разработали метод, позволяющий повысить эффективность преобразования солнечного света в энергию до уровня, превышающего 100%. Для этого была использована новая молекулярная система, способная увеличивать количество энергии, получаемой от солнечного излучения. Данный метод может стать основой для создания солнечных технологий следующего поколения.

Ограничения традиционных солнечных элементов

Солнечная энергия считается ключевым инструментом для сокращения использования ископаемого топлива и борьбы с изменением климата. Несмотря на то, что Солнце постоянно поставляет на Землю огромные объемы энергии, современные солнечные элементы способны улавливать лишь небольшую часть этого потока. Это связано с физическим пределом, который долгое время оставался непреодолимым.

Исследование и новый механизм

В работе, опубликованной 25 марта в Journal of the American Chemical Society, ученые из Университета Кюсю (Япония) совместно с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия) предложили способ преодоления этого барьера. Они применили молибденовый металлокомплекс, известный как «спин-флип» эмиттер, для захвата дополнительной энергии, возникающей при синлетном делении (SF). Этот процесс позволяет повысить эффективность преобразования света, что ранее считалось недостижимым.

С помощью данной технологии удалось достичь коэффициента преобразования энергии около 130%, что превышает традиционный предел в 100% и открывает путь к более совершенным солнечным элементам.

Принцип работы солнечных элементов и потери энергии

Солнечные элементы вырабатывают электричество, когда фотоны солнечного света попадают на полупроводник и передают энергию электронам, вызывая их движение и создавая электрический ток. Однако не все фотоны одинаково полезны: фотоны с низкой энергией (инфракрасные) не могут активировать электроны, а фотоны с высокой энергией (например, синий свет) теряют избыточную энергию в виде тепла. В результате солнечные элементы используют только около трети поступающего солнечного света. Это ограничение известно как предел Шокли-Квайссера.

Синлетное деление как способ увеличения энергии

Существует две основные стратегии для преодоления этого предела: преобразование низкоэнергетических инфракрасных фотонов в фотоны видимого диапазона с более высокой энергией и использование синлетного деления для генерации двух экситонов из одного фотона. В обычных условиях каждый фотон создает только один спин-синглетный экситон, но при SF этот экситон может разделиться на два низкоэнергетических спин-триплетных экситона, что потенциально удваивает доступную энергию. Некоторые материалы, такие как тетрацен, поддерживают этот процесс, однако эффективно захватывать такие экситоны было сложно.

Преодоление потерь энергии из-за FRET

Часть энергии может теряться из-за механизма резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET) до того, как произойдет умножение экситонов. Для решения этой задачи был использован молибденовый «спин-флип» эмиттер, который позволяет избирательно захватывать умноженные триплетные экситоны после деления. В этой системе электрон меняет свой спин при поглощении или испускании ближнего инфракрасного света, что позволяет эффективно извлекать триплетную энергию, возникающую при SF. Точное регулирование энергетических уровней позволило минимизировать потери от FRET и обеспечить эффективное извлечение умноженных экситонов.

Экспериментальные результаты и перспективы

В сочетании с материалами на основе тетрацена в растворе система успешно собирала энергию с квантовым выходом около 130%. Это означает, что примерно 1,3 молибденовых металлокомплекса активировались на каждый поглощённый фотон, что превышает обычный предел и демонстрирует создание большего числа носителей энергии, чем поступило фотонов.

Исследование находится на этапе доказательства концепции, однако полученные результаты могут стимулировать дальнейшие работы по объединению синлетного деления и металлокомплексов. Это открывает перспективы не только для солнечной энергетики, но и для светодиодов и новых квантовых технологий. В будущем планируется интеграция этих материалов в твердофазные системы для повышения эффективности передачи энергии и приближения к практическому применению в солнечных элементах.