Взломать законы физики: ученые создали «невозможную» технологию солнечных панелей с эффективностью 130%

Каждую секунду на Землю поступает огромное количество солнечной энергии. Если бы ее можно было эффективно собирать, человечество навсегда забыло бы об электрическом дефиците. Однако современные солнечные панели столкнулись с физическим ограничением, которое десятилетиями сдерживало развитие отрасли.

Недавно международная группа ученых из Университета Кюсю (Япония) и Майнцского университета (Германия) преодолела это препятствие. Они достигли показателя квантового выхода в 130%, что превышает 100%-ный барьер. Как им это удалось и почему это меняет правила игры в солнечной энергетике?

**Предел Шокли — Квиссера и нагрев**

Чтобы понять этот прорыв, нужно разобраться в работе солнечной батареи. Когда фотоны поглощаются полупроводником, они передают энергию электронам, превращая их в свободные носители заряда и создавая электрический ток.

Долгое время эффективность солнечных элементов ограничивал предел Шокли — Квиссера. Согласно этому правилу, один поглощенный фотон может возбудить только один электрон.

Проблема в том, что солнечный спектр неоднороден. Инфракрасные фотоны обладают низкой энергией и проходят сквозь панель, не возбуждая электрон. Синие и ультрафиолетовые фотоны, напротив, имеют избыточную энергию. Но из-за этого правила «один к одному» избыток энергии превращается в тепло, вызывая нагрев панели. В результате стандартные кремниевые батареи преобразуют в электричество лишь около трети падающей солнечной энергии.

**Технология мечты: синглетное деление**

Физики нашли способ обойти ограничение в 100% квантового выхода, открыв квантовый процесс под названием синглетное деление (singlet fission). Суть его в следующем: когда высокоэнергетический фотон поглощается органическим материалом, он формирует мощный экситон — связанную пару из электрона и «дырки» — в синглетном состоянии. Затем этот экситон делится на два менее энергичных триплетных экситона. Теоретически это позволяет одному фотону выполнять работу двух, увеличивая квантовый выход до 200%.

Однако на практике извлечь эту «умноженную» энергию оказалось крайне сложно. Как только триплетные экситоны разделяются, начинается конкурирующий процесс — фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET), который «крадет» энергию до того, как ученые успевают ее уловить.

**Эмиттер со «спин-переворотом»**

Доцент Йоити Сасаки из Университета Кюсю объясняет, что для решения проблемы им был нужен акцептор энергии, способный избирательно захватывать триплетные экситоны сразу после деления, не поддаваясь FRET.

Решением стала разработка металлокомплекса на основе молибдена, известного как эмиттер со «спин-переворотом». Этот комплекс обладает уникальной способностью принимать энергию от триплетных экситонов, изменяя направление спина электрона в своей молекуле. Это делает его идеальной ловушкой для таких экситонов.

Объединив этот эмиттер с органическим материалом на базе тетрацена и тщательно настроив энергетические уровни системы, ученые смогли подавить паразитный ФРЭТ. В результате квантовый выход достиг 130%: на каждые 10 поглощенных фотонов система переводила в возбужденное состояние 13 молибденовых комплексов.

                                                                                                                          Источник: Habr.com