В обозримом будущем фотоэлектрические панели могут совершить качественный рывок в производительности благодаря инновационной системе, кардинально меняющей принципы преобразования солнечной энергии.
Фундаментальные законы физики гласят, что энергия не берется из ниоткуда. Однако исследователи из Университета Кюсю совместно с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга представили технологию, демонстрирующую квантовый выход в 130%!
На первый взгляд такие цифры кажутся нарушением законов термодинамики, но за этим стоят сложные физические процессы. Комбинируя металлоорганический комплекс на основе молибдена с функцией «инверсии спина» и материалы, способные к синглетному делению, ученые смогли извлекать больше носителей заряда, чем было получено падающих фотонов.
Давайте разберемся в деталях.
Ежегодно наша планета получает порядка 2,8 миллиарда ТВт•ч солнечной энергии — это в пять тысяч раз больше совокупного мирового энергопотребления. Увы, современные панели утилизируют лишь малую толику этого потенциала.
Типичные солнечные элементы преобразуют в электричество не более 20% света. Основная проблема кроется в спектральном несоответствии между Солнцем и полупроводниковыми материалами.
Принцип работы фотоэлемента прост: фотон поглощается полупроводником (обычно кремнием), выбивая электрон из атома, что порождает направленный поток — электрический ток. Однако фотоны обладают разной энергией. Инфракрасным частицам не хватает энергии, чтобы «выбить» электрон, поэтому они либо пролетают сквозь панель, либо греют её. Синие же фотоны, напротив, обладают избытком энергии, который бесполезно рассеивается в виде паразитного тепла.
Это несоответствие создает фундаментальный барьер, известный как предел Шокли — Квиссера. Для стандартных однопереходных батарей он составляет около 33%, поэтому серийные панели редко преодолевают порог эффективности в 25%.
Традиционно один фотон порождает лишь один электрон-дырочную пару (экситон). Считалось, что это неизменная аксиома. Однако концепция исследования, проводимого в Университете Кюсю, основана на явлении синглетного деления.
Суть процесса заключается в распаде одного высокоэнергетического экситона на два, каждый из которых обладает меньшей энергией. Таким образом, из одного фотона «синего» спектра мы получаем два экситона вместо одного.
«Существует два пути преодоления текущих лимитов», — поясняет доцент Йоити Сасаки. «Первый — повышение энергии инфракрасных фотонов, второй — генерация двух экситонов из одного фотона с помощью синглетного деления, что является нашим приоритетом».
Теоретически это позволяет удвоить выход заряда, но на практике возникает проблема «сбора» дополнительных экситонов. Зачастую они поглощаются процессами вроде фёрстеровского переноса энергии (FRET), в ходе которых энергия превращается в тепло до того, как её успевают преобразовать в ток.
Решением ученых стал молибденовый эмиттер, управляющий «переворотом спина». Система избирательно захватывает триплетные экситоны, которые иначе были бы потеряны через канал FRET. Это обеспечивает квантовый выход на уровне 130%: на каждый поглощенный фотон приходится 1,3 успешно собранных экситона.
Важно понимать: речь не идет о получении энергии из пустоты. КПД солнечной панели не достигнет 130%, так как это нарушило бы закон сохранения энергии. Речь идет исключительно о квантовом выходе — количестве носителей заряда на один фотон.
Как отмечает профессор Цзинь Чжан из Калифорнийского университета в Сан-Диего, «квантовая эффективность выше 100% возможна при правильном определении величин». Иными словами, панели не поглощают больше света, они просто эффективнее утилизируют энергию, которая раньше уходила в «бесполезный» нагрев.
Это достижение открывает путь к созданию фотоэлементов нового поколения. Снижая тепловые потери, такие системы способны поднять КПД солнечных батарей до 35–45%. На данный момент разработка находится на стадии экспериментального подтверждения концепции на молекулярном уровне, и впереди у ученых еще много работы по интеграции этой технологии в твердотельные солнечные панели.
