Японські науковці “порушили” закони фізики: сонячні панелі на дахах забезпечуватимуть 130% ефективності

Depositphotos

Енергія не може бути ані створена, ані знищена. Це основа фізики. Неможливо отримати енергію з нічого. Проте науковці з Університету Кюсю в Японії стверджують, що їм вдалося розробити технологію, яка підвищує ефективність перетворення енергії сонячних елементів до 130%.

Це означає, що фотоелектричні панелі незабаром зможуть генерувати значно більше електроенергії завдяки новій системі, яка кардинально підвищує ефективність перетворення енергії в сонячних елементах.

На перший погляд результати дослідження, проведеного спільно з колегами з Університету Йоганна Ґутенберґа в Німеччині, виглядають, м’яко кажучи, фантастично. Однак реальність є набагато складнішою. Використовуючи молібденовий металевий комплекс “перевертання спіну” у поєднанні з матеріалом для синглетного розщеплення, вченим вдалося отримати більше придатних носіїв заряду, ніж вхідних фотонів.

Розглянемо все поетапно. Протягом дня Земля отримує приблизно 89 000 терават сонячної енергії — це майже в 5 000 разів більше за річне глобальне споживання людством. Однак сучасні сонячні технології вловлюють лише невелику частину цієї енергії.

Image: Pubs.acs.org

Фотоелектричні сонячні елементи — це ті, що зазвичай спадають на думку, коли ви думаєте про сонячні панелі, — перетворюють лише близько 20% сонячного світла, що на них потрапляє, на електроенергію, придатну для використання. Обмеження конверсії в основному виникають з природи самого Сонця.

Сонячні елементи перетворюють світло на електрику через відносно простий процес. Фотони — це пакети світлової енергії, які надходять від Сонця і вдаряються об напівпровідниковий матеріал, зазвичай кремній. Коли фотон вдаряється, він передає свою енергію електрону в напівпровіднику, вибиваючи його і надаючи йому руху. Заряджені рухомі електрони формують електричний струм.

Проблема полягає в тому, що фотони мають різні енергетичні рівні в залежності від довжини хвилі. Інфрачервоні фотони на низькоенергетичному кінці спектра не мають достатньо енергії, щоб взагалі вибити електрони. Це фундаментальне розходження між надходженням енергії та електронним порогом напівпровідника накладає жорстку межу на ефективність, відому як межа Шоклі-Квайссера.

Команда розробила спеціалізований комплекс на основі молібдену / Image: HuntStock & Getty Images

Для стандартного однопереходного сонячного елемента ця межа становить приблизно 33%. У нормальних умовах один фотон збуджує один електрон, створюючи одну одиницю придатної для використання енергії, відому як екситон.

Синглетне розщеплення — це процес, при якому один високоенергетичний екситон розщеплюється на два низькоенергетичних екситони. Замість того щоб виробляти один екситон на фотон, цей процес дозволяє одному високоенергетичному фотону генерувати два низькоенергетичних екситони.

СпецпроєктиРетельне миття підлоги замість пасивного протирання: огляд серії роботів-пилососів Aqua 10 від DreameAORUS ELITE 16: як виглядає ноутбук для нового горору Resident Evil Requiem від Capcom

“У нас є дві основні стратегії для подолання цієї межі. Одна — конвертувати низькоенергетичні інфрачервоні фотони у більш енергетичні видимі фотони. Інша, яку ми досліджуємо тут, — використовувати синглетне розщеплення для генерації двох екситонів з одного фотона-екситона”,  — пояснює доцент Йоіті Сасакі з факультету інженерії Університету Кюсю.

Теоретично це могло б подвоїти кількість придатних носіїв заряду. Однак на практиці цей процес має суттєвий недолік: ці додаткові екситони надзвичайно важко вловити. Концепція синглетного розщеплення не є новою. Проблема завжди полягала у вловлюванні. Перш ніж два нові екситони можна вилучити і використати, їх, як правило, перехоплюють конкуруючі механізми — наприклад, резонансний перенос енергії Фестера (FRET), при якому енергія фактично “викрадається” до того, як її можна використати.

Саме тут проявляється інновація дослідників, яка несе в собі елегантність фізики. Їхнє рішення: молібденовий емітер “перевертання спіну” — система, яка вибірково захоплює ці інакше втрачені триплетні екситони.

Дані: Pubs.acs.org

Під час поглинання та випромінювання електрон всередині комплексу перевертає свій спін. Ця властивість робить його особливо придатним для прийому триплетних екситонів, які виробляються синглетним розщепленням, ігноруючи при цьому конкуруючий шлях FRET. Результатом є виміряний квантовий вихід близько 130%. Це означає, що в середньому 1,3 екситона успішно збираються на кожен поглинений фотон.

Отже… чи це 130% ефективність перетворення для сонячних елементів? Аж ніяк. Енергетична ефективність 130% порушила б закон збереження енергії — наріжний камінь фізики. Те, чого досягли дослідники, — це 130% квантового виходу, міри не енергії, а носіїв заряду на фотон.

“Квантова ефективність зазвичай не повинна перевищувати 100%, але квантовий вихід може, якщо надається відповідне визначення, тобто залежно від того, як його визначити”, — пояснює доктор Цзінь Чжан, професор хімії та біохімії Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, який не брав участі в дослідженні.

Простіше кажучи, сонячні елементи не поглинають більше сонячного світла, ніж зазвичай. Натомість вони витягують більше придатних носіїв заряду з того самого поглиненого світла, відновлюючи енергію, яка зазвичай втрачалася б у вигляді тепла від високоенергетичних фотонів.

“Що ж тоді є “проривом”?” — можете запитати ви.

Тепер, коли визначення “130%” зрозуміле, легше оцінити, чого насправді досягли дослідники. Вони продемонстрували реальний шлях до захоплення та використання екситонів, які раніше були недоступні. Зменшуючи енергетичні втрати та покращуючи обробку високоенергетичних фотонів, система вирішує одну з ключових неефективностей сонячного перетворення. Фотони блакитного світла, які наразі перевищують поріг і скидають надлишок у вигляді тепла, натомість могли б розщеплюватися на два придатних екситони кожен, зменшуючи теплові втрати та збільшуючи струм.

“Ця робота є значним кроком до розробки матеріалів для підсилення екситонів і фотонів шляхом поєднання матеріалів синглетного розщеплення з комплексами перехідних металів, що просуває застосування синглетного розщеплення за межі традиційних обмежень” — дослідники у статті в Journal of the American Chemical Society.

Реалістичні прогнози свідчать, що добре спроектований сонячний елемент із синглетним розщепленням міг би суттєво підвищити ефективність порівняно з нинішніми комерційними панелями, причому деякі моделі наближаються до 35-45% за ідеальних умов. Це вдвічі більше, ніж у деяких моделях.

Фотоелектричні панелі незабаром зможуть виробляти значно більше електроенергії завдяки новій системі, яка радикально підвищує ефективність перетворення енергії сонячних елементів / Depositphotos

Варто зазначити, що молібден — на відміну від рідкісних і дорогих металів, що використовуються в багатьох передових технологіях — є відносно поширеним і дешевим матеріалом. Теоретична межа квантового виходу для цього методу синглетного розщеплення становить 200% — тобто нинішні 130% є лише початком того, чого потенційно можна досягти. Крім сонячної енергетики, дослідники вбачають перспективи застосування технології у світлодіодах та квантових технологіях наступного покоління.

Наразі стаття опублікована в “Журналі Американського хімічного товариства”. Експерименти проводилися в розчині на молекулярному рівні, що означає: до твердотільного сонячного елемента технологія ще проходить кілька важливих кроків.

Гібридна сонячна панель перетворює дощову краплю у 110 В напруги

<iframe