Фотоэлектрические панели в будущем, возможно, смогут генерировать значительно больше электроэнергии благодаря новой системе, которая радикально повышает эффективность преобразования энергии солнечных элементов.

Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Это базовый принцип физики. Просто невозможно создать энергию «из воздуха». Тем не менее, исследователи из Университета Кюсю в Японии заявляют, что разработали технологию, которая повышает эффективность преобразования энергии солнечных элементов до 130%!

На первый взгляд, результаты этого исследования, проведённого совместно с коллегами из Университета Иоганна Гутенберга в Германии, звучат по меньшей мере фантастически. Однако на самом деле всё гораздо сложнее. Используя металлокомплекс на основе молибдена с «переворотом спина» в паре с материалом, способным к синглетному делению, учёные смогли генерировать больше полезных носителей энергии, чем входящих фотонов.

Давайте разберёмся в этом подробнее.

За год Земля получает около 2,8 миллиардов ТВт•ч солнечной энергии, что примерно в 5000 раз превышает годовое потребление энергии человечеством. Однако современные солнечные технологии улавливают лишь небольшую часть этой энергии.

Фотоэлектрические солнечные элементы преобразуют только около 20% попадающего на них солнечного света в полезную электроэнергию. Ограничения преобразования в первую очередь связаны с самим Солнцем.

Солнечные элементы преобразуют свет в электричество посредством относительно простого процесса. Фотоны — кванты световой энергии — поступают от Солнца и попадают на полупроводниковый материал, обычно кремний. При столкновении фотон передаёт свою энергию электрону в полупроводнике, выбивая его из атома и приводя в движение. Эти возбуждённые движущиеся электроны образуют электрический ток.

Проблема заключается в том, что не все фотоны одинаковы. Они приходят с совершенно разными уровнями энергии в зависимости от их длины волны. Инфракрасные фотоны, на низкоэнергетическом конце спектра, не несут достаточно энергии, чтобы вообще выбить электроны. Вместо этого они проходят сквозь материал или поглощаются в виде тепла, что приводит к их потере. С другой стороны, фотоны синего света несут гораздо больше энергии, чем необходимо для освобождения электрона. Избыток рассеивается в виде тепла, что также приводит к его потере.

Это фундаментальное несоответствие между поступлением энергии и порогом выхода электронов из полупроводника накладывает жёсткий предел на эффективность, известный как предел Шокли — Квиссера. Для стандартной однопереходной солнечной батареи этот предел составляет около 33%.

Даже при идеальной конструкции таким образом невозможно извлечь более трети поступающей солнечной энергии. Именно поэтому даже самые лучшие из имеющихся в продаже солнечных панелей не дают более 25% эффективности.

В обычных условиях один фотон возбуждает один электрон, создавая единицу полезной энергии, известную как экситон. Даже когда на солнечную батарею попадает фотон с энергией, превышающей необходимую, образуется лишь один экситон. Остальная энергия расходуется в виде тепла. Таким образом, всегда действует соотношение «один фотон — один экситон». Это всегда считалось аксиомой. Но что, если это не так? Этот вопрос лежит в основе исследования, проводимого в Университете Кюсю. Подход команды сосредоточен на явлении, называемом синглетным делением.

Синглетное деление — это процесс, при котором один высокоэнергетический экситон распадается на два экситона с более низкой энергией. Вместо того чтобы производить один экситон на фотон, этот процесс позволяет одному высокоэнергетическому фотону привести к образованию двух экситонов с более низкой энергией.

«У нас есть две основные стратегии для преодоления этого ограничения», — объясняет доцент Йоити Сасаки с инженерного факультета Университета Кюсю. «Одна заключается в преобразовании инфракрасных фотонов с более низкой энергией в видимые фотоны с более высокой энергией. Другая, которую мы исследуем здесь, — это использование синглетного деления для генерации двух экситонов из одного фотона».

Теоретически это могло бы удвоить количество пригодных для использования носителей заряда. Однако на практике у этого процесса есть серьёзный недостаток: эти дополнительные экситоны крайне трудно уловить. Концепция синглетного деления не нова. Проблема всегда заключалась в улавливании. Прежде чем два новых экситона могут быть извлечены и задействованы, их, как правило, захватывают конкурирующие механизмы, такие как фёрстеровский перенос энергии (FRET), при котором энергия фактически «пропадает» до того, как её можно использовать.

Именно здесь и проявляется инновация исследователей, привносящая в процесс элегантность физики. Их решение: эмиттер на основе молибдена с «переворотом спина» — система, которая избирательно улавливает эти триплетные экситоны, которые в противном случае были бы утрачены.

Во время поглощения и излучения электрон внутри комплекса меняет свой спин. Это свойство делает его уникально подходящим для приёма триплетных экситонов, порождённых синглетным делением, игнорирующих конкурирующий путь FRET. Результатом является измеримый квантовый выход около 130%. Это означает, что в среднем на каждый поглощённый фотон успешно собирается 1,3 экситона.

Получается ли в итоге 130% эффективность преобразования солнечной энергии для солнечных элементов? Абсолютно нет. Энергоэффективность в 130% нарушила бы закон сохранения энергии, который является основой физики. Исследователи достигли 130% квантового выхода, который измеряет не энергию, а количество носителей заряда на один фотон.

«Квантовая эффективность обычно не должна превышать 100%, но [квантовая эффективность] может быть выше, если дать ей правильное определение», — объясняет доктор Цзинь Чжан, профессор кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего, который не участвовал в исследовании.

«В чём же тогда заключается этот „прорыв“?» — спросите вы. Проще говоря, солнечные элементы не поглощают больше солнечного света, чем обычно. Вместо этого они извлекают больше полезных носителей заряда из того же количества поглощённого света, возвращая энергию, которая обычно теряется в виде тепла от высокоэнергетических фотонов.

Теперь, когда ясно, о чём идёт речь в случае со 130%, становится легче оценить, чего на самом деле добились исследователи.

Они продемонстрировали жизнеспособный путь к улавливанию и использованию экситонов, которые ранее были недоступны. Уменьшая потери энергии и улучшая обработку высокоэнергетических фотонов, система устраняет одну из основных причин неэффективности преобразования солнечной энергии. Фотоны синего света, которые в настоящее время превышают пороговое значение и рассеивают избыток в виде тепла, вместо этого могут разделиться на два полезных экситона каждый, что снизит тепловые потери и увеличит ток.

Реалистичные прогнозы показывают, что хорошо спроектированная солнечная батарея с возможностью синглетного деления может значительно повысить эффективность по сравнению с существующими коммерческими панелями, причём некоторые модели в идеальных условиях смогут достигать эффективности 35–45%. Это почти двукратное увеличение эффективности по сравнению с некоторыми моделями.

На данный момент статья, опубликованная в журнале Journal of the American Chemical Society, находится на стадии подтверждения работоспособности концепции. Эксперименты проводились в растворе на молекулярном уровне, а это означает, что до создания твердотельных солнечных элементов этой технологии ещё предстоит пройти несколько важных этапов.