Японські науковці з Університету Кюсю разом із колегами з Університету Йоганна Ґутенберґа в Німеччині представили проривну технологію, що може суттєво змінити уявлення про ефективність сонячних панелей. Вперше вдалося досягти квантового виходу, еквівалентного 130% — показника, що перевищує традиційні фізичні межі для фотоелектричних елементів.
Про це розповідає ProIT
Як працює нова технологія сонячних елементів
Сучасні сонячні панелі на основі кремнію перетворюють приблизно 20% сонячного світла на електроенергію. Основне обмеження ефективності визначає межа Шоклі-Квайссера: для одноперехідних елементів вона становить близько 33%. За стандартних умов один фотон утворює один екситон — носій заряду, придатний для створення електричного струму.
Японські вчені використали молібденовий металевий комплекс, який у парі з матеріалом для синглетного розщеплення дозволяє одному високоенергетичному фотону породжувати відразу два низькоенергетичних екситони. Таким чином, кількість носіїв заряду, що збирається, перевищує кількість поглинутих фотонів, тобто квантовий вихід перевищує 100%.
“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.
Чому це не «вічний двигун» і чого чекати від інновації
Технологія не порушує закон збереження енергії, адже 130% — це не енергетична ефективність, а кількість носіїв заряду на фотон. Завдяки спеціалізованому молібденовому емітеру «перевертання спіну» нова система ефективно захоплює триплетні екситони, які раніше втрачалися під час процесу синглетного розщеплення. Це дозволяє підвищити квантовий вихід до 130% — тобто в середньому 1,3 екситона на кожен фотон.
Цей підхід допомагає мінімізувати втрати енергії, які зазвичай проявляються у вигляді тепла при взаємодії з високоенергетичними фотонами, і відкриває шлях до створення сонячних елементів із теоретичною ефективністю у 35–45% за ідеальних умов. Відзначимо, що молібден — це відносно доступний і недорогий метал, тому технологія має високий потенціал впровадження у промисловості.
Варто зауважити, що досліди поки що проводилися на молекулярному рівні у розчині. До впровадження інноваційної технології у твердотільні сонячні елементи ще залишається пройти низку етапів. Та дослідники впевнені: розробка відкриває нові можливості не лише для сонячної енергетики, а й для створення світлодіодів і квантових пристроїв нового покоління.