Учёные предложили способ обойти одно из ключевых фундаментальных ограничений солнечной энергетики — предел Шокли — Квиссера — максимальную теоретическую эффективность солнечного элемента, который более 60 лет считался верхней границей эффективности фотоэлементов.
Современные солнечные панели работают на основе фотогальванических элементов — полупроводников, преобразующих свет в электричество. Однако даже в идеальных условиях они способны использовать лишь часть энергии солнечного излучения. Теоретический максимум составляет 33%, а коммерческие панели обычно достигают лишь около 25%.
Это ограничение связано с природой света и термодинамикой. Солнечное излучение представляет собой широкий спектр энергий, но фотоэлементы могут эффективно преобразовывать только узкий диапазон. Фотоны с недостаточной энергией проходят сквозь материал, а более энергичные — теряют избыточную энергию в виде тепла.
В новой работе исследователи из Японии и Германии предложили способ использовать ту часть спектра, которая ранее считалась «потерянной». Речь идёт о высокоэнергетическом синем свете, который в обычных условиях не удаётся эффективно преобразовать в электричество.
Учёные показали, что при воздействии такого света на специальное соединение можно «разделить» энергию одного фотона на два полезных возбуждения. В результате удалось достичь эффективности около 130% — то есть на каждые 100 поглощённых фотонов приходится 130 носителей энергии.
Ключевую роль в этом процессе играет явление синглетного деления. Оно позволяет одному возбуждённому состоянию порождать два, тем самым увеличивая количество зарядовых носителей без увеличения числа поглощённых фотонов.
Для реализации метода использовали органическую молекулу тетрацен в сочетании с металлическим элементом молибденом. Тетрацен и ранее применялся для работы с высокоэнергетическим светом, однако такие системы сталкивались с проблемами стабильности и длительной работы. Добавление молибдена, как утверждают авторы, позволило преодолеть эти ограничения.
Один из авторов работы, химик Ёити Сасаки (Yoichi Sasaki) из Университета Кюсю, отметил, что существует два основных подхода к преодолению предела Шокли — Квиссера. Первый — преобразование низкоэнергетических инфракрасных фотонов в более энергичные. Второй — использование синглетного деления для получения двух возбуждений из одного фотона, что и было реализовано в данной работе.
Исследование пока что находится на лабораторной стадии. Полученные результаты демонстрируют принципиальную возможность обхода фундаментального ограничения, но до практического применения в коммерческих солнечных панелях ещё далеко.
Тем не менее, это один из самых заметных шагов к пересмотру предела, который долгое время считался непреодолимым. Если технология будет масштабирована, то она может изменить подход к проектированию фотоэлементов и повысить эффективность солнечной энергетики без радикального изменения её базовой архитектуры.
