Каждую секунду на Землю поступает колоссальное количество солнечной энергии. Если бы мы могли собирать ее эффективно, человечество навсегда забыло бы о дефиците электричества. Однако современные солнечные панели упираются в физический потолок, который десятилетиями сдерживал развитие отрасли.
На днях международной команде исследователей из Университета Кюсю (Япония) и Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (Германия) удалось изящно обойти это ограничение. Они преодолели 100-процентный барьер квантового выхода, достигнув показателя в 130%. Как им удалось сломать привычные рамки и почему это меняет правила игры в солнечной энергетике?
Предел Шокли — Квиссера и паразитный нагрев
Чтобы понять суть прорыва, нужно взглянуть на механизм работы стандартной солнечной батареи. Когда частицы света (фотоны) поглощаются полупроводником, они передают свою энергию электронам, переводя их в возбужденное состояние — так генерируются свободные носители заряда, создающие электрический ток.
Долгие годы КПД солнечных элементов жестко ограничивался пределом Шокли — Квиссера. В его основе лежит фундаментальное правило: один поглощенный фотон способен возбудить максимум один электрон.
Проблема в том, что солнечный спектр неоднороден. Инфракрасные фотоны несут слишком мало энергии и проходят сквозь панель впустую — они не способны возбудить электрон. А вот синие и ультрафиолетовые фотоны обладают избытком энергии. Но из-за правила «один к одному» этот избыток не превращается в дополнительные заряды. Он просто рассеивается в виде тепла, вызывая паразитный нагрев панели. В итоге стандартные кремниевые батареи способны преобразовать в электричество лишь около трети энергии падающего света.
«Технология мечты»: синглетное деление
Для обхода этого лимита физики обратились к квантовому процессу под названием синглетное деление (Singlet Fission).
Идея заключается в следующем: если высокоэнергетический фотон поглощается органическим материалом, он создает один мощный экситон (связанную пару из электрона и «дырки») в синглетном квантовом состоянии. При синглетном делении этот мощный экситон расщепляется на два экситона с меньшей энергией в триплетном состоянии.
Теоретически это позволяет одному фотону выполнять работу двух, поднимая потенциальный предел квантового выхода со 100% до 200%. Однако на практике поймать эту «умноженную» энергию оказалось невероятно сложно. Как только экситоны разделялись, в дело вступал конкурирующий физический процесс — фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET). Он буквально «крал» энергию до того, как ученые успевали ее извлечь.
Эмиттер со «спин-переворотом»
«Нам был необходим акцептор энергии, который мог бы избирательно захватывать умноженные триплетные экситоны сразу после деления, игнорируя процесс-вор», — объясняет доцент Йоити Сасаки из Университета Кюсю.
Решением команды стал металлокомплекс на основе молибдена, известный как эмиттер со «спин-переворотом».
Дело в том, что полученные после деления триплетные экситоны имеют специфические квантовые свойства (спины), из-за которых им «запрещено» легко отдавать энергию обычным материалам. Молибденовый комплекс решает эту задачу: принимая эту энергию, электрон в молекуле меняет направление своего спина. Это делает комплекс идеальной ловушкой именно для триплетных экситонов.
Объединив эмиттер со «спин-переворотом» с органическим материалом на основе тетрацена и тонко настроив энергетические уровни системы, физики смогли полностью подавить паразитный фёрстеровский перенос.
Результат: квантовый выход составил 130%. На каждые 10 поглощенных фотонов система успешно переводила в возбужденное состояние 13 молибденовых комплексов.
Случайность и перспективы
Интересно, что этот проект мог и не состояться. Исследование началось благодаря Адриану Зауэру, немецкому студенту по обмену. Приехав на стажировку в Японию, он обратил внимание исследователей на молибденовые комплексы, которые долгое время изучались в его родном Майнцском университете. Это объединило экспертизу двух научных школ и привело к прорыву.
Пока технология находится на стадии лабораторного доказательства концепции (proof-of-concept) — эксперименты проводились в жидком растворе. Следующая амбициозная цель ученых — перенести этот квантовый механизм в твердотельное исполнение.
Если молекулярные «умножители» удастся интегрировать в твердые материалы, это откроет путь к созданию солнечных панелей нового поколения. Они будут меньше нагреваться и генерировать значительно больше электричества из того же потока света. Кроме того, технология эмиттеров со «спин-переворотом» может найти применение в производстве сверхъярких OLED-дисплеев и в разработке квантовых устройств будущего.
Источники
Exploring Spin-State Selective Harvesting Pathways from Singlet Fission Dimers to a Near-Infrared Emissive Spin-Flip Emitter. Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.5c20500.
Официальный пресс-релиз Университета Кюсю (PDF). Kyushu University (Март 2026).
‘Spin-flip’ in metal complexes opens a path beyond solar cell efficiency limits. TechXplore (25 марта 2026). Авторы/редакторы: Kyushu University, Sadie Harley, Robert Egan.
130% quantum yield: Singlet fission breaks 100% ‘physical ceiling’ for solar cells. Interesting Engineering. Автор: Aman Tripathi.
Researchers push solar cell efficiency beyond physical limits. QazaqGreen.
Комментарии (23)
Lazytech
28.03.2026 16:19Позволю себе заподозрить, что достижимый на практике КПД при массовом производстве будет раза в полтора ниже теоретически достижимого, то есть ни о каких 40+ % можно и не мечтать. Оговорюсь, что дилетант.
Предел Шокли — Квиссера — Википедия
ЦИТАТА:
Впервые предел был рассчитан Уильямом Шокли и Хансом-Йоахимом Квиссером из компании Shockley Semiconductor в 1961 году, что дало максимальную эффективность 30 % при энергии фотонов 1,1 эВ[1]. Это ограничение является одним из самых фундаментальных в производстве солнечной энергии с помощью фотоэлектрических элементов и считается одним из самых важных вкладов в эту область[2].
Этот первый расчёт использовал спектр чёрного тела с температурой 6000 K как приближение к солнечному спектру. Последующие расчеты использовали измеренные глобальные солнечные спектры, AM 1,5, и включали зеркало на задней поверхности, которое увеличивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии до 33,16 % для солнечного элемента с одним p-n-переходом с оптимальной шириной запрещённой зоны 1,34 эВ[3]. То есть из всей мощности, содержащейся в солнечном свете (около 1000 Вт/м²), падающей на идеальный солнечный элемент, только 33,7 % могут быть когда-либо превращены в электричество (или 337 Вт/м²). Самый популярный материал для солнечных элементов, кремний, имеет менее благоприятную ширину запрещённой зоны 1,1 эВ, в результате чего максимальная эффективность составляет около 32 %. Современные коммерческие монокристаллические солнечные элементы обеспечивают эффективность преобразования около 24 %, потери в основном связаны с практическими проблемами, такими как отражение от передней части элемента и блокирование света тонкими проводами на поверхности элемента.
axel_pervoliajnen
28.03.2026 16:19Re То есть из всей мощности, содержащейся в солнечном свете (около 1000 Вт/м²), падающей на идеальный солнечный элемент, только 33,7 % могут быть
Нет . 1кВт/м2 может на Земной орбите. На поверхности только 100 вт/ м2 да и то ведь ночью нужно спать!
33.7 % кпд тоже не нет. Это близко к пределу ТЕПЛОВЫХ машин. Цикл Карно например. Вас ведь не удивляет Кпд при передаче электроэнергии от 90 проц и выше. От генератора до электродвигателя например
Lazytech
28.03.2026 16:19Нет . 1кВт/м2 может на Земной орбите. На поверхности только 100 вт/ м2 да и то ведь ночью нужно спать!
Вы бы хоть погуглили, прежде чем спорить.
Солнечная постоянная — Википедия
ЦИТАТА:
Наиболее точной оценкой солнечной постоянной считается 1360,8 ± 0,5 Вт/м2 (данные 2008 года, когда солнечная активность была в минимуме). В 1990-х годах было получено значение 1365,4 ± 1,3 Вт/м2[1].
Solar irradiance - Wikipedia > On Earth’s surface
ЦИТАТА:
Average annual solar radiation arriving at the top of the Earth’s atmosphere is roughly 1361 W/m2.[40] The Sun’s rays are attenuated as they pass through the atmosphere, leaving maximum normal surface irradiance at approximately 1000 W/m2 at sea level on a clear day. When 1361 W/m2 is arriving above the atmosphere (when the Sun is at the zenith in a cloudless sky), direct sun is about 1050 W/m2, and global radiation on a horizontal surface at ground level is about 1120 W/m2.[41] The latter figure includes radiation scattered or reemitted by the atmosphere and surroundings. The actual figure varies with the Sun’s angle and atmospheric circumstances. Ignoring clouds, the daily average insolation for the Earth is approximately 6 kWh/m2 = 21.6 MJ/m2.
ГУГЛОПЕРЕВОД:
Среднегодовое солнечное излучение, достигающее верхней границы атмосферы Земли, составляет примерно 1361 Вт/м².[40] Солнечные лучи ослабляются при прохождении через атмосферу, в результате чего максимальная нормальная поверхностная освещенность составляет приблизительно 1000 Вт/м² на уровне моря в ясный день. Когда 1361 Вт/м² достигает уровня атмосферы (когда Солнце находится в зените в безоблачном небе), прямое солнечное излучение составляет около 1050 Вт/м², а глобальное излучение на горизонтальной поверхности на уровне земли составляет около 1120 Вт/м².[41] Последняя цифра включает излучение, рассеянное или переизлученное атмосферой и окружающей средой. Фактическое значение варьируется в зависимости от угла наклона Солнца и атмосферных условий. Без учета облаков среднесуточная инсоляция для Земли составляет приблизительно 6 кВт·ч/м² = 21,6 МДж/м².
axel_pervoliajnen
28.03.2026 16:19Re Мгновенная (!) максимальная мощность на поверхности Земли в полдень 1 кВт/м2.
Поэтому в ссылке и получилось 6 кВт Час / м2 в сутки (а не 24! ) Ведь ночью света нет .
Что. Соответствует в среднем грубо 250 Вт/ м2. Все из представленной ссылке
А вот чего в ссылке нет: Распределение длин волн в структуре излучения Солнца. Только 50 проц это видимый свет. Остальное - инфракрасный он же тепло что панели практически не поглощают и даже мешает.
Вот так и получились средне скромные 100 Вт/м2
Lazytech
28.03.2026 16:19Насколько мне известно, когда рассчитывают эффективность работы (“КПД”) солнечных панелей, обычно исходят из того, что мощность солнечного излучения при перпендикулярном падении на солнечную панель составляет примерно 1 киловатт на квадратный метр (без всяких оговорок про видимый свет и инфракрасное излучение). Про КИУМ, который обычно значительно ниже 100%, и про ночь я помню, но это отдельный разговор.
CosmicRave
28.03.2026 16:19Кликбейт детектед! Кто-нибудь из читателей ведь решит, что речь идет о КПД 130%
Вот и повёлся! Расходимся!
Zaqwsx13-56-89
28.03.2026 16:19Очень интересно! Инновации в солнечных панелях сейчас особенно актуальны. Если действительно удаётся преодолеть физический потолок эффективности, это может серьёзно изменить расстановку сил в энергетике. Спасибо за подробный разбор! Интересно, как быстро эта технология дойдёт до промышленного применения.
Tiriet
28.03.2026 16:19интересно узнать, из каких это оценок следует, что увеличение КПД солнечных панелей на Х процентов изменит расстановку?
TimsTims
28.03.2026 16:19Инновации в солнечных панелях сейчас особенно актуальны
Они и через 200 лет будут актуальны. Солнце никуда от Земли не денется, а вот ископаемое топливо к тому времени изрядно под просядет.
axel_pervoliajnen
28.03.2026 16:19Re Солнце долго ископаемые источники нет.
Пока ковынули меньше толщины кожуры яблока на планете
Есть более мощные источники энергии чем Солнце. 1 м3 нашего солнышка выделяет энергии как от гниения листвы.
Да и вообще злые языки говорят что при взрыве сверхновой где-то там в Галактике происходит реактивация урана. На Земле до промышленного U235
Особенно злые языки говорят что вся хронология Земли на основе радиоизотопных методов невалидно. Потому как такая реактивация транурановых элементов была много раз
:)
TimsTims
28.03.2026 16:19Пока ковынули меньше толщины кожуры яблока на планете
Наверное есть для этого причины?
говорят что при взрыве сверхновой где-то там в Галактике происходит реактивация урана
Ещё воду по телевизору освещают)
говорят что вся
Кто говорит, откуда данные? Бабушка во дворе тоже много что говорит, но вряд-ли это вообще имеет какое-то значение)
axel_pervoliajnen
28.03.2026 16:19Re: Бабушка...много что говорит,..
Бабушка BBC вроде бы в нучпоп сериале. Кстати оттуда же. Взяли образцы живой (!)травы. И провели радиоуглеродный анализ. Вместо возраста 0 лет получилось 100 тысяч лет.
Все просто автодорога недалеко и сгоревшее дизельное топливо. В котором углероду(изотопу) много миллионов лет
Wizard_of_light
28.03.2026 16:19В фотодетекторах такого добились в 2020, как я понимаю сейчас добрались и до энергетики.
runaway
28.03.2026 16:19квантовый выход составил 130%. На каждые 10 поглощенных фотонов система успешно переводила в возбужденное состояние 13 молибденовых комплексов.
Считать КПД надо не в абсолютном количестве поглощённых фотонов / переведённых в возбуждённое состояние атомов, а в единицах энергии. Иначе дойдём до того, что КПД одной собаки, покусавшей 10 человек -- 1000 %.
dyadyaSerezha
28.03.2026 16:19А какой КПД у такой собаки?
ivtst1
28.03.2026 16:19Отрицательный, т.к. действие должно быть полезным)
dyadyaSerezha
28.03.2026 16:19Смотря от целей. Могут быть даже очень полезными)
agat000
28.03.2026 16:19У собаки полезное действие - загрызть и сожрать. Просто покусать - бесполезное.
Lazytech
Кликбейт детектед! Кто-нибудь из читателей ведь решит, что речь идет о КПД 130%, тогда как в действительности теоретически достижимый КПД при использовании описанного эффекта, насколько я понял, может составить что-то около 43% (что тоже, конечно, немало). В оригинале название статьи поскромнее, в гуглопереводе “«Переворот спина» в металлокомплексах открывает путь за пределы эффективности солнечных элементов”.
wizard-worker
Согласен, но с таким названием статьи я бы точно прошел мимо. Да, понятно, что речь не про КПД, но на подсознательном уровне всё равно ищешь подвох, что и заставляет читать статью, а не поверхностно её пролистывать. Автору - внимание, читателю - понимание. Win-win
VT100
Да не! Всё верно. 700 млн. лет назад анунахи провернули такой трюк и превратили Землю в снежок!
DSPa17
Это предки данунахов?
ihouser
Все правильно, предки замерзли до состояния данунахов. Больше желающих Землю превратить в снежок не было.