Mokslininkai praneša apie reikšmingą proveržį saulės energijos tyrimuose: laboratoriniais bandymais pasiekta 130 proc. vadinamoji kvantinė išeiga. Tai nereiškia, kad saulės panelė elektrą gamintų 130 proc. efektyvumu, tačiau rodo, jog vienam sugertam šviesos fotonui pavyko sukurti daugiau nei vieną naudingą sužadintą būvį.
Tyrime nagrinėjama, kaip peržengti klasikinį saulės elementų ribojimą, kai dalis šviesos energijos neišvengiamai prarandama šilumos pavidalu. Būtent šie nuostoliai yra viena priežasčių, kodėl vienos sandūros saulės elementų teorinė riba dažnai siejama su maždaug 33 proc. efektyvumu, vadinamu Shockley–Queisser riba.
Pagrindinis naujo metodo principas yra singletinis skilimas, kai vieno fotono sužadinta būsena gali būti padalijama taip, kad susidaro du sužadinti būviai, vadinami eksitonais. Tokiu būdu iš vieno energijos paketo potencialiai „išspaudžiama“ daugiau naudos, o perteklinė energija mažiau prarandama kaip šiluma.
„Turime dvi pagrindines strategijas peržengti šią ribą: arba mažos energijos infraraudonuosius fotonus paversti didesnės energijos regimosios šviesos fotonais, arba, kaip šiame darbe, panaudoti singletinį skilimą, kad iš vieno fotono sukurtume du eksitonus“, – sakė chemikas Yoichi Sasaki iš Kyushu universiteto.
Tyrėjai kaip organinę medžiagą pasirinko tetraceną, kuris yra tinkamas singletinio skilimo procesui. Vis dėlto ankstesniuose bandymuose dažnai kildavo problema, kad energija „pabėgdavo“ dar nespėjus įvykti norimai dauginimo reakcijai, todėl reikėjo sprendimo, kaip greitai ir selektyviai perimti susidariusius būvius.
Šioje vietoje svarbų vaidmenį suvaidino molibdeno kompleksai. Sumaišius tetraceną su molibdeno junginiais, komanda parodė galinti efektyviau „pagauti“ po skilimo susidariusius eksitonus ir nukreipti procesą taip, kad vienam sugertam fotonui vidutiniškai tektų 1,3 sužadinto būvio, išreikšto metalų kompleksų sužadinimu.
„Energija gali būti lengvai perimta mechanizmu, vadinamu Försterio rezonansiniu energijos perdavimu, dar prieš įvykstant dauginimui, todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai sugauna po skilimo padaugintus tripletinius eksitonus“, – sakė Y. Sasaki.
Vis dėlto autoriai pabrėžia, kad tai ankstyvos stadijos laboratoriniai bandymai tirpale, o iki realaus pritaikymo saulės moduliuose laukia sudėtingi inžineriniai žingsniai. Reikės šią sistemą patikimai perkelti į kietąją būseną, užtikrinti stabilumą, ilgaamžiškumą ir tai, kad sukaupta energija būtų išlaikoma pakankamai ilgai, kad ją būtų galima efektyviai panaudoti.
Tokie tyrimai svarbūs platesniame kontekste, nes saulės energetika laikoma viena pagrindinių technologijų mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro. Jei pavyktų praktiškai padidinti saulės elementų našumą virš šiandien įprastų ribų, tai galėtų paspartinti pigesnės elektros gamybą ir sumažinti reikiamą panelių plotą tam pačiam energijos kiekiui išgauti, ypač derinant su pažangesnėmis energijos kaupimo technologijomis.
Ką reiškia 130 proc. kvantinė išeiga?
Kvantinė išeiga apibūdina, kiek kartų norimas įvykis įvyksta vienam sugertam fotonui. Šiuo atveju kalbama ne apie visos panelės elektros konversijos procentą, o apie fotono energijos panaudojimą kvantiniu lygiu, kai vienas sugertas fotonas gali inicijuoti daugiau nei vieną sužadinimą sistemoje.
Toks rezultatas laikomas svarbiu įrodymu, kad egzistuoja realus kelias apeiti dalį fundamentalių nuostolių, kurie riboja tradicines schemas. Tačiau rinkoje matomi pokyčiai priklausys nuo to, ar bus įmanoma sukurti pigias, stabilias ir masinei gamybai tinkamas medžiagas, kurios išlaikytų šiuos efektus kasdienėmis eksploatavimo sąlygomis.
Tyrimas publikuotas Journal of the American Chemical Society.
Šaltiniai:
– https://doi.org/10.1021/jacs.5c20500
– https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/377
– https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit
– https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_yield
Leave a Reply