Международная группа исследователей впервые в истории достигла квантовой эффективности солнечных элементов выше 100 %. В эксперименте им удалось получить квантовый выход на уровне 130 %. Результаты опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society (JACS).

Что значит «превысить предел»

Обычные кремниевые солнечные батареи ограничены так называемым пределом Шокли — Квайссера, согласно которому их максимальная теоретическая эффективность составляет около 33 %. Большая часть энергии солнечного света при этом теряется в виде тепла.

Учёные давно ищут способы обойти это фундаментальное ограничение. Один из самых перспективных путей — процесс синтетного деления (singlet fission). При нём энергия одного поглощённого фотона делится на две части, в результате чего вместо одного возбуждённого состояния (экситона) образуется сразу два.

Как удалось достичь 130 %

Команда под руководством химика Еити Сасаки из Университета Кюсю использовала органическую молекулу тетрацена, которая хорошо расщепляет энергию фотона. Однако раньше основная проблема заключалась в том, что образовавшиеся экситоны очень быстро теряли энергию и не успевали быть использованными.

Решением стало добавление соединений молибдена. Этот металл выступил в роли «излучателя со сменой спина», который эффективно захватывает и удерживает экситоны после деления, предотвращая их потерю.

В результате эксперимента на один поглощённый фотон в среднем приходилось 1,3 возбуждённого состояния — квантовый выход составил 130 %.

«У нас есть два основных способа преодолеть этот предел. Один — преобразовывать инфракрасное излучение в видимое. Второй — использовать синглетное деление, чтобы получать два экситона из одного фотона», — пояснил Еити Сасаки.

Что дальше

Пока технология находится на ранней стадии: все эксперименты проводились в жидкой среде. Следующий важный шаг — переход к твёрдым материалам, которые можно будет интегрировать в реальные солнечные панели. Также предстоит решить проблему удержания энергии достаточно долго, чтобы её можно было эффективно преобразовать в электричество.

Несмотря на это, работа демонстрирует принципиальную возможность преодоления фундаментальных ограничений солнечной энергетики.

Вкратце

Учёные впервые превысили предел Шокли — Квайссера, достигнув квантовой эффективности солнечных элементов в 130 %. Используя процесс синглетного деления в молекулах тетрацена и добавив соединения молибдена для удержания экситонов, исследователи получили из одного фотона в среднем 1,3 возбуждённого состояния. Хотя технология ещё находится в лабораторной стадии, она открывает путь к значительному повышению эффективности солнечных батарей в будущем и может существенно ускорить развитие возобновляемой энергетики. Работа опубликована в журнале Journal of the American Chemical Society.