Zespół międzynarodowych naukowców osiągnął kamień milowy w rozwoju technologii słonecznej, demonstrując metodę osiągnięcia 130% wydajności kwantowej. Nie oznacza to, że panel słoneczny przekształca 130% światła słonecznego w energię elektryczną; stanowi to zasadniczy przełom w sposobie pozyskiwania energii na poziomie subatomowym.
Zrozumienie przełamania 130%.
Aby zrozumieć to osiągnięcie, konieczne jest rozróżnienie pomiędzy ogólną wydajnością panelu a wydajnością kwantową.
Standardowe ogniwa słoneczne są ograniczone limitem Shockleya-Queissera, teoretycznym pułapem ograniczającym wydajność jednozłączowych ogniw słonecznych do około 33%. Większość energii słonecznej jest tracona w postaci ciepła, ponieważ pierwiastki nie są w stanie efektywnie przetworzyć każdego fotonu, który w nie uderza.
Nowe badania rozwiązują ten problem, koncentrując się na liczbie „ekscytonów” (pakietów energii) wytwarzanych na zaabsorbowany foton:
– Proces standardowy: jeden foton zaabsorbowany $\rightarrow$ wytworzył jeden ekscyton (wydajność 100%).
– Ten przełom: zaabsorbowany jeden foton $\rightarrow$ i utworzone dwa ekscytony (wydajność 130% ).
Dzieląc energię pojedynczego fotonu o wysokiej energii na dwa oddzielne nośniki energii, badacze znajdują sposób na ominięcie tradycyjnych wąskich gardeł w zakresie wydajności, które marnują energię w postaci ciepła.
Zaplecze naukowe: rozszczepienie singletu i molibden
Badania opierają się na procesie zwanym rozszczepieniem singletu. Polega na wykorzystaniu określonych materiałów w celu zwielokrotnienia energii uzyskanej ze światła. Aby wdrożyć ten mechanizm, zespół wykorzystał dwa kluczowe komponenty:
- Tetracen: cząsteczka organiczna stosowana jako „materiał rozszczepialny”. Jego struktura molekularna pozwala mu pobrać jeden foton o wysokiej energii i podzielić go na dwa pakiety o niższej energii za pomocą ekscytujących elektronów.
- Molibden: pierwiastek metaliczny stosowany do rozwiązania długotrwałego problemu fizyki Słońca.
Historycznie rzecz biorąc, wdrożenie rozszczepienia singletu było utrudnione przez fakt, że nowo wytworzona energia (ekscytony) często znikała lub była „kradzieżona” w innych procesach, zanim mogła zostać wykorzystana. Mieszając molibden z tetracenem, zespół stworzył swego rodzaju „pułapkę”. Molibden działa jak emiter przejścia spinowego, przechwytując zwielokrotnioną energię i utrzymując ją wystarczająco długo, aby została przekształcona w stan użyteczny.
„Potrzebowaliśmy akceptora energii, który selektywnie wychwytywałby zwielokrotnione ekscytony tripletów po rozszczepieniu” – wyjaśnia chemik Yoichi Sasaki z Uniwersytetu Kiusiu.
Z laboratorium do prawdziwego świata
Chociaż wyniki są naukowo rewolucyjne, przejście od sukcesu laboratoryjnego do produktu komercyjnego napotyka kilka przeszkód:
- Stan materiału: W bieżącym eksperymencie zastosowano płynny roztwór. Do praktycznych zastosowań należy go przekształcić w stabilną formę stałą, którą można zintegrować z trwałymi panelami słonecznymi.
- Zatrzymywanie energii: Naukowcy wciąż muszą udoskonalić „proces rozkładu”, aby zapewnić, że kompleksy molibdenu zatrzymują energię wystarczająco długo, aby efektywnie pozyskiwać energię elektryczną.
- Skalowalność: Przejście od kontrolowanych warunków laboratoryjnych do masowej produkcji modułów słonecznych pozostaje głównym wyzwaniem inżynieryjnym.
Dlaczego jest to ważne dla przyszłości
Zdolność do przekroczenia obecnych limitów efektywności może zasadniczo zmienić krajobraz energii odnawialnej. Jeśli panele słoneczne będą w stanie wyprodukować więcej energii elektrycznej z tej samej ilości światła słonecznego, koszt energii słonecznej spadnie, a powierzchnia potrzebna pod ogromne farmy fotowoltaiczne zmniejszy się.
Ponieważ świat stara się zmniejszyć swoją zależność od paliw kopalnych w celu przeciwdziałania zmianom klimatycznym, technologie zwiększające moc każdego fotonu stają się niezbędnymi narzędziami w przejściu na zrównoważoną sieć energetyczną.
Wniosek
Dzięki pomyślnemu wykorzystaniu rozszczepienia singletu do wygenerowania większej liczby nośników energii niż docierających fotonów, badacze stworzyli realny schemat przezwyciężenia teoretycznych ograniczeń obecnych ogniw słonecznych. Chociaż zastosowanie komercyjne pozostaje celem na przyszłość, niniejszy dowód słuszności koncepcji stanowi ważny krok w kierunku następnej generacji wysoce wydajnych technologii słonecznych.
